ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ Лекция 2

Распространение радиоволн в изотропной ионосфере

Ионосфера представляет слой с переменной электронной концентрацией N(z).

Волна распространяется в среде с диэлектрической проницаемостью:
f _p- плазменная частота, f - частота радиоволны.
.

Отражение происходит в диапазоне частот [0 , f_m], где
- критическая частота.

Истинная высота отражения h определяется условием:
т.е. где f_p(h)=f.

Действующая высота h_d определяется интегралом:
видно что:

Распространение радиоволн в анизотропной ионосфере

В среде распространяются две волны:
обыкновенная (o - компонента) и нобыкновенная (x - компонента).
Распространение каждой волны определяется
своей диэлектрической проницаемостью:

f_H ~ 1.4 МГц - гирочастота электрона,
- угол между направлением распространения радиоволны и магнитным полем Земли.

Отражение o - волны происходит в диапазоне частот [0 , f_m],
т.е. критическая частота o - волны совпадает с критической частотой для изотропного случая.

Отражение x - волны происходит в диапазоне частот [f_H , f_mx], где

т.е. критическая частота x - волны больше критической частоты:
f_mx - f_m = ~f_H/2.

Истинная высота отражения o - волны определяется условием
f_p(h_o)=f, т.е. совпадает с истинной высотой для изотропного случая.
Истинная высота отражения x - волны определяется условием
т.е. меньше высоты для o - волны.

Действующие высоты для o - и x - волны определяются интегралами:
Не всегда h_d0>h_dx

Учет поглощения на примере изотропной ионосферы

Учет столкновений электрона с ионами и нейтралами приводит к
следующему уравнению движения:

где - эффективная частота столкновений электронов.

В итоге у показателя преломления появляется мнимая часть:

а модуль коэффициента отражения имеет вид:

Основной вклад в интеграл поглощения вносят высоты:
где, велико (неотклоняющая область)
и где (отклоняющая область).

Для модели:

вклад неотклоняющей области составляет ~90%,
а коэффициент отражения вдали от критической частоты имеет
простую аппроксимацию:

При учете магнитного поля:

Среднеширотная ионосфера Ночь. На ионограмме видны следы отражения от одного F-слоя. Кокубуджи. Япония. 35.7 o с.ш., 139.5 o в.д. 31.10.2001 03:50 L.T.

Среднеширотная ионосфера Вечер. На ионограмме видны следы отражения от E- и F- слоя. Миллстон Хилл. США. 42.6 o с.ш., 71.5 o з.д. 25.04.2002 18:15 L.T.

Среднеширотная ионосфера День. На ионограмме видны следы отражения от E- , F1- и F-слоя. Кокубуджи. Япония. 35.7 o с.ш., 139.5 o в.д. 08.07.2001 16:02 L.T.

Среднеширотная ионосфера Вечер. Полная экранировка Es - слоем. Миллстон Хилл. США. 42.6 o с.ш., 71.5 o з.д. 25.04.2002 20:45 L.T.

Экваториальная ионосфера Следы от o- и x-компонент различимы только вблизи критической частоты Джикамарка. Перу. 12.0 o ю.ш., 76.8 o з.д. 09.04.2002 12:45 L.T.

Экваториальная ионосфера Инверсия следов от o- и x-компонент вблизи критической частоты Джикамарка. Перу. 12.0 o ю.ш., 76.8 o з.д. 09.04.2002 16:15 L.T.

Полярная ионосфера. Диффузные отражения от F - слоя Сондрестром.Гренандия. 67.0 o с.ш., 50.7 o з.д. 08.04.2000 21:00 L.T.

Полярная ионосфера. Явление F-spread Сондрестром.Гренандия. 67.0 o с.ш., 50.7 o з.д. 14.03.2001 21:15 L.T.

Обратная задача вертикального зондирования ионосферы

Известны: h_d(f_k), k = 1...m,
Нужно восстановить: f_p(z) или N(z).
Значения f_p(hk ) = f_k известны, нужно восстановить h_k.

Четыре допущения:
1. аппроксимация f_p(z);
2. модель низа;
3. модель долины;
4. модель верха.

Пример: изотропная ионосфера, линейная аппроксимация.

Неизвестность h₀ - проблема низа.
При f₁ = 0, h₀ = h₁= h_d(f₁), в любом другом случае модель.

Линейная экстраполяция:

Иллюстрация "проблемы низа" для монотонного профиля

Иллюстрация "проблемы низа" при наличии долины в недоступной области

Иллюстрация "проблемы долины"

Распространение сигналов при вертикальном зондировании ионосферы

1. Произвольный узкополосный сигнал может быть представлен в виде:

где a(t), b(t) - квадратурные компоненты сигнала.

2. Сигналы на входе u₀(t) и выходе u(t) произвольного линейного стационарного канала связаны соотношением:

где - передаточная функция канала,
- спектр входного сигнала.

Для удобства можно ввести комплексную огибающую
сигнала a(t)=a(t)+ib(t) и получить соответствующее
соотношение для комплексных огибающих на входе q₀(t) и
выходе q(t) канала:

В нашем случае - комплексный коэффициент отражения от иносферы:

Если слабо изменяется в полосе сигнала, то для описания прохождения
сигнала можно ограничиться первыми членами разложения в ряд Тейлора:

В этом приближение удается получить простое выражение для q(t):

- задержка - восстановление профиля N(z);
- фаза - измерение скорости дрейфа и движения перемещающихся ионосферных возмущений;
А - амплитуда - измерение скорости дрейфа, измерение эффективной частоты соударений, исследование мелкомасштабных ионосферных неоднородностей;
- наклон АЧХ - исследование мелкомасштабных неоднородностей.

Пример временных вариаций характеристик сигнала: