Способ определения плотности атмосферы на высотах е-слоя ионосферы

)5 ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТО У СВИДЕТЕЛЬСТ ируюсокой атноонной частоткм) на соудастиц в пектра рений плотеНаиболее нием к предла когерентного определения плазмы. близким техническ гаемому является с рассеяния радиов параметров ионо м решеособ неент, ений олн для сферной в(56) Хвостиков И.А. Физика озоносферы и ионосферы. - Ионосферные исследования, М Изд-во АН СССР, 1963, Гч. 11, с. 485 - 491,Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А,А. Физика ионосферы, М.: Наука, 1988, с. 124 - 138, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ .АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ Е-СЛОЯ ИОНОСФЕРЫ Изобретение относится к геофизике, вчастности кдистанционным способам измерения плотности атмосферы на высотах Е- слоя ионосферы (й 100 - 130 км), и может быть использовано для изучения вариаций плотности и уточнения моделей атмосферы в данном высотном интервале.Известны способы определения высотного распределения плотности атмосферы с помощью метеорологических ракет.Недостатком таких способов является невозможность проведения большого обьема однотипных исследований вследствие как высокой стоимости ракетных пусков, так и необходимости привязки к местонахождению ракетных полигонов.(57) Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее плотности на высотах Е-слоя ионосферы. Цель изобретения - ускорение и упрощение реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов-и измерении их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы. Цель достигается за счет определения плотности атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. 2 ил. По этому способу излучают зондщие радиоимпульсы на достаточно вьчастоте и измеряют интенсивность обррассеянных флуктуациями электрконцентрации радиоимпульсов и ихный спектр,На высотах Е-слоя (Ь 100 мспектр рассеянных сигналов влияютрения заряженных и нейтральных чаобъеме рассеяния. По изменению сможет быть определена частота соудаионов с молекуламиип 1, а по ней иность нейтральной атмосферы.Исходя из соотношенияИа = фв Мщ,где Ип - концентрация нейтральныхкул;фв - числен н ый коэффиципорциональный сечению соудар5 10 15 20 адио 25 40 ускорение ации спос р = Мп) гп = Мп)/Р)(п ) гп,где в - средний молекулярный вес на данной высоте,Использование высоких частот ( 50 - 1500 МГц), существенно превышающих гирочастоты и плазменные частоты, упрощает расчеты высоты рассеивающего объема и делает наблюдения надежными независимо от состояния ионосферы.Однако применение известного способа связано с рядом затруднений. Очень небольшая величина рассеянного сигнала на высоких частотах требует применения радиолокаторов с высоким потенциалом, Необходимость увеличения отношения сигнал/шум приводит к сужению полосы приемной установки, которая в то же время не должна ограничивать спектральное разрешение ионно-звуковой линии. Эти противоречивые требования приводят к значительному усложнению измерительного комплекса и методики измерений. В частности, для получения хорошей точности ( 5 - 10%) измерений в Р-области ионосферы требуется накопление в течение10 мин и усреднение по десяткам тысяч реализаций. На высотах Е-слоя ионосферы электронная концентрация (а следовательно, и мощность принимаемых радиоимпульсов) на порядок меньше, чем в Р-области, при этом среднеквадратичные ошибки определения температуры здесь возрастают до 30 - 100/. Для уменьшения статистических погрешностей измерений (до -10/) на высотах Е-слоя ионосферы способом некогерентного рассеяния необходимо более длительное(до получаса) время накопления, Поэтому за исключением отдельных задач этот способ не получил широкого применения для диагностики атмосферы на высотах 100-130 км. Сложной является и методика обработки данных наблюдений, включающая решение многопараметрической обратной задачи для выделения влияния каждого из ионосферных параметров на резул ьтат измерений.Цель изобретения - и упрощение процесса реализ оба при заданной точности,Поставленная цель достигается тем, что в способе опредения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающем излучение в ионосферу последовательности зондирующих импульсов, прием обратно- рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы, формируют периодическую структуру неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия наионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей однойиз магнитоионных компонент, на частотевыше критической для Е-слоя, но ниже критической для Р-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончаниивозмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряютвременную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированнойпериодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемойвысоте Ь.По уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в раз находят времярелаксации т (Ь) на этой высоте, а плотностьатмосферы р(Ь) на исследуемой высоте вычисляют по формулеР(1) -- р - т(п),где 1=2 л/ДА - длина волны возмущающего ризлучения в ионосферной плазме;к - постоянная Больцмана;Т - температура атмосферы на исследуемой высоте,-15 3 - 1Рв =0910 м сНа фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения лотности атмосферы на высотах Е-сло ионосферы; на фиг,2 - временные диаграммы работы при осуществлении предлагаемого способа,Устройство содержит задающий генератор 1, передатчик 2 с антенной 3, передатчик 4 с антенной 5, приемник 6 с антенной 7, регистратор 8 и синхронизатор 9.Способ осуществляют следующим образом,Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент на частоте выше критической частоты Е-слоя, но ниже критической для Г- слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы,Для этого с помощью задающего генератора 1 (фиг.1) формируют непрерывный синусоидальный сигнал на частоте 1 о, С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение, Поскольку частота 1 о возмущающего радиоизлучения меньше критической частоты Р 2 слоя ионосферы, направленное в зенит радиоизлучение отражается отионосферы. За счет интерференции падающего и отраженного радиоизлучения вовсем высотном интервале от уровня Земли до высоты отражения формируется стоячая волна, возмущающая ионосферную плазму. Возмущающее воздействие стоячей волны проявляется в перераспределении плазмы в поле этой волны и формировании за счет этого в указанном высотном интервалепериодической структуры горизонтальныхискусственных неоднородностей ионосферной плазмы с периодом= 0,5 А, где А - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме.После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е.после выключения передатчика 2, на той же частоте 1 о излучают в зенит последовательность радиоимпульсов с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающегорадиоизлучения, Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность импульсов для управления передатчиком 4. Излучают в зенит с помощью передатчика 4 с антенной 5 последовательность радиоимпульсов на частоте 1 о, сформированную с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.Принимают с помощью приемника 6 сантенной 7 радиоимпульсы, обратнорассеянные периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. Поскольку частота и поляризация зондирующих радиоимпульсов совпадают с соответствующими характеристиками возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеиваетсяво всем интервале высот от нижней границы ионосферы пмин до высоты пм отраженияГ-слоем (фиг,2).При приеме измеряют временную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте и.Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором 8, С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду рассеянногосигнала, соответствующего исследуемой высоте. Задержка стробирующего радиоимпульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса обусловливает исследуемую высоту Ь(фиг.2)Зондирование продолжается несколько секунд. При этом интенсивность искусственных неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается вследствие диффузии, и в соответствии10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 с этим уменьшается амплитуда обратнорассеянного сигнала.При этом время релаксации обратнорассеянных радиоимпульсов после окончания возмущающего воздействияобусловлено расплыванием искусственныхнеоднородностей в Е-слое ионосферывследствие амбиполярной диффузиих -В Ма4 к В(Те+Т)2 л,где 1 = ,А - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, м;л - постоянная Больцмана, к = 1,38х 10 Дж градИ - частота соударений ионов с молекулами, сНа этих высотах плазма находится втепловом равновесии, т.е. температураэлектронов.Т близка к температуре ионовТ и молекул Т (Те- Т =Т), а средний молекулярный вес ионов в близок к среднему молекулярному весу молекул (в:."л),По уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала в е раз находят времярелаксации т(Ь) на исследуемой высоте,Плотность атмосферы р (1) на этой высоте вычисляют по формулеР(Ь) = - - - т(Н)8.Г ктгде Т - температура атмосферы на исследуемой высоте.=0,910 " мзсТемпературу Т берут из соответствующих моделей атмосферы или данных другихизмерений,Формула изобретенияСпособ определения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающий излучение в ионосферупоследовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмырадиоимпульсов и измерение их парамет ров с последующим вычислением плотностиатмосферы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью ускорения и упрощения процессареализации способа при заданной точности, формируют периодическую структуру, неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией,соответствующей одной из магнитоионныхкомпонент, на частоте выше критическойдля Е-слоя, но ниже критической для Г-слояионосферы, зондирующие радиоимпульсыизлучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поля1732310 мУКс елбност 1 строб цющ ЦМЛЫЛЬСа 8Подписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СРаушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ризацией, измеряют временную зависимость амплитуд сигналов обратно рассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте )1, по умень шению амплитуд обратно рассеянного сигнала в е раз находят время релаксации т(Ь) на этой высоте, плотность атмосферы р(1) на исследуемой высоте вычисляют по формуле 3 Заказ 1582 ТиражВНИИПИ Государственного комитета и113035, Москва, Ж(Ь) -- р; - (Ь),где 3 с = 2 л/ Л,Л, - длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме;к- постоянная Больцмана;Т - температура атмосФеры на исследу3 -1емой высоте,Р)п) =0,910 м с