WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«1961 г. Февраль Т. LXXIII, вып. 2 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСВИХ НАУК РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ Б. А. Багаряцпий ВВЕДЕНИЕ Отражения от ...»

1961 г. Февраль Т. LXXIII, вып. 2

УСПЕХИ ФИЗИЧЕСВИХ НАУК

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Б. А. Багаряцпий

ВВЕДЕНИЕ

Отражения от ионосферы радиоволн метрового диапазона, характерным образом связанные с зонами полярных сияний, впервые были замечены незадолго до второй мировой войны 1 · 2. Систематические исследования,

опирающиеся на значительно более совершенную радиолокационную технику, стали осуществляться только после войны. Вторичному послевоенному открытию УКВ-отражений вблизи зон полярных сияний способствовало развертывание в ряде стран метеорной радиоастрономической службы, так как оптимальные частоты «авроральных» *) и метеорных радиоотражений приблизительно совпадают (хотя характер отраженных сигналов в обоих случаях совершенно различен).

С 1947 г. в геофизике радиолокационным исследованиям полярных сияний уделяется значительное внимание. Оптические методы (спектроскопия, фотометрия) позволяли изучать полярные сияния с точки зрения происходящих в них процессов возбуждения. Обнаружившаяся возможность получать радиоотражения во время полярных сияний позволяет дополнить эти исследования изучением изменений в состоянии ионизации.

Но изучение «авроральных радиоотражений» представляет и самостоятельный интерес. Существование их демонстрирует наличие некоторых новых, ранее неизвестных, черт полярной ионосферы. Связь отражений этого типа с магнитными возмущениями и полярными сияниями является одним из показателей интенсивного воздействия, испытываемого ионосферой высоких широт со стороны корпускулярных потоков.

Интересно, что *) В связи с обширной программой исследований полярных сияний в период МГГ, по предложению G. Чэпмена была введена следующая терминология: районы земного шара, лежащие выше 60° северной или южной геомагнитной широты, были названы «авроральными поясами», районы между 60 и 45° — «субавроральными поясами», а область между геомагнитными параллелями 45° N и 45° S—«минавроралышм поясом». Зоны полярных сияний в узком смысле слова, т. е. области, где частота появлений полярных сияний максимальна, лежат приблизительно в пределах 65—68 г е о м а г н и т н ы х широт. Максимумы этих зон смещаются довольно значительно в сторону более низких широт во время геомагнитных возмущений.

Термин «авроральные возмущения», который за последнее время стал употребляться для обозначения совокупности процессов, происходящих в зонах полярных сияний в периоды возмущений, удобен в силу краткости, и мы считаем возможным пользоваться им. Термин «авроральные отражения» в этом случае является удобным для обозначения того типа отражений от ионосферы, который характерен для зон полярных сияний в периоды «авроральных возмущений»; это название, может быть, вообще стоит предпочесть употребляющемуся сейчас словосочетанию «радиоотражения от полярных сияний», я

–  –  –

применение более чувствительной аппаратуры приводит к тому, что радиоотражения «аврорального типа» наблюдаются иногда на значительном удалении от зон полярных сияний, в отдельных случаях даже в субтропических широтах 3 " 6. Специальный интерес представляет образование ионизации «аврорального» типа при атомных взрывах в верхней атмосфере.

Высокая плотность ионизации, обусловливающая на десятки минут появление устойчивых УКВ-отражений, наблюдается при этом не только в зоне взрыва, но и (по прошествии короткого времени) на расстоянии в несколько тысяч километров в магнитно-сопряженной точки противоположного полушария. Явление это интересно с точки зрения понимания свойств радиационных поясов Земли, не говоря о том, что с ним связана также возможность уточнения структуры земного магнитного поля*).





Исследование авроральных радиоотражений имеет большое значение для радиосвязи, особенно в обширных областях вблизи зон полярных сияний.

Периоды, когда наблюдаются УКВ-отражения, обычно характеризуются мощным поглощением коротких волн; в некоторых случаях отражения могут являться неприятной помехой для ультракоротковолновой связи и радиолокации. С другой стороны, специфические условия в ионосфере, создающиеся в высоких широтах во время часто повторяющихся и длительных магнитных возмущений, по-видимому, могут иногда быть использованы в целях осуществления сверхдальней связи на волнах УКВ-диапазона, причем нередко в такой обстановке, когда другие диапазоны оказываются полностью или почти полностью выключенными 278.

Хотя в геофизике «радиоотражения от полярных сияний» исследуются уже более десяти лет, накопленные сведения оказываются не всегда достаточно хорошо известными специалистам смежных областей. Как пример, можно указать, что в книге «Радиоастрономия» Пози и Брейсуэлла (М., ИЛ, 1958), сравнительно недавно переведенной на русский язык, говорится: «На высоких радиочастотах, например 30 Мгц, все или практически все случайные отражения от ионосферных уровней обусловлены метеорами» (стр. 372). Это утверждение далеко от действительности.

В советской литературе не было пока опубликовано обзорных или обобщающих работ по радиолокационным исследованиям полярных сияний. В настоящей статье делается попытка дать обзор имеющихся в литературе данных и сообщить основные сведения о характеристиках «авроральных» радиоотражений.

Обширная программа Международного геофизического года включала в себя и исследования радиоотражений от полярных сияний. Интенсивные наблюдения велись во многих странах.

Советскими геофизиками за время Международного геофизического года и в процессе подготовки к нему также проведено большое количество наблюдений; некоторые из них представляют значительный интерес**).

Материалы, опубликованные к середине 1960 г., в основном включены в данный обзор, но следует учесть, что обработка и публикация большей части результатов МГГ еще не закончена, и они в обзор не включены.

§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯВЛЕНИЯ

Термин «радиоотражения от полярных сияний» не является физически точным и удобен лишь благодаря относительной краткости: полярное сияние, как оптический объект, не может отражать радиоволн. В силу *) По вопросу об искусственной ионизации см. серию статей в J. Geophys. Res.,,N2 8, 64 (1959). В настоящей статье эти вопросы не освещаются.

**) В постановке радиоисследований полярных сияний по программе МГГ в Советском Союзе следует специально отметить заслуги Я. Г. Бирфельда.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

традиции можно, по-видимому, продолжать пользоваться им, с оговоркой, что под отражениями «от полярных сияний» следует понимать отражения от связанных с ними областей повышенной ионизации.

Как известно из многолетних данных ионосферного зондирования9, из наблюдений за искусственными спутниками 10 » 1Х и из прямых ракетных измерений 1 2 · 1 3, максимальная электронная плотность в ионосфере, если иметь в виду нормальные условия, не превосходит нескольких единиц на 10 6 см~г. Такая величина дневного максимума имеет место на высоте около 300—350 км в слое F2. В слое Ft, существующем только днем, концентрация на порядок меньше. На высотах 100—120 км в области в дневных условиях нормальная величина

–  –  –

(критическая частота в Мгц), то в области абсолютного максимума концентрации критические частоты не должны превышать десяти-пятнадцата мегагерц (XKpes 30-ь- 20 м). Для отражения от нормального слоя он»

составляют 3-^5 Мгц ( ^ 100-f- 60 м), и, как правило, не превосходят 7—8 Мгц при отражении от спорадических слоев Es.

В 1940 г. впервые было замечено, а после 1947 г. стало вполне установленным, что вблизи зон полярных сияний отражения от некоторой* части ионосферы могут иметь место на частотах, значительно больших, 200 Б А БАГАРЯЦКИЙ чем вышеуказанные, а именно, на частотах порядка 30 Мгц и выше, вплоть до 1000 Мгц.

Если предположить, что формула (1) может быть применена к отражениям на частотах метрового и дециметрового диапазонов в зонах полярных сияний на тех же основаниях, на которых она применяется к отражениям от регулярных ионосферных слоев, то это будет означать, что электронная концентрация в отражающих областях сияний должна превышать 10 7 см'3 при частоте отраженных сигналов 30 Мгц и 108 CM'S при частотах 100 Мгц и выше. Действительно ли такая концентрация электронов возникает в ионосфере во время полярных сияний? Для ответа на этот вопрос необходимо, очевидно, иметь какие-то данные о механизме «авроральных» отражений.

Априори можно говорить по крайней мере о четырех возможных механизмах: а) полное отражение от регулярной поверхности, ограничивающей область ионизации, в которой максимальная концентрация электронов выше критической для данной длины волны, а толщина переходного слоя — много больше длины волны; б) частичное (френелевское) отражение от достаточно резкой границы раздела, за которой находится область ионизации с электронной концентрацией ниже критического значения (при толщинах переходного слоя в пределах немногих длин волн характер отражения сохраняется, но оно будет меньше френелевского); в) отражение от узкого, более или менее «симметричного» слоя, с электронной концентрацией в нем, превышающей критическое значение; отражение будет неполным в силу просачивания энергии волны сквозь слой; г) рассеяние, или некогерентное отражение от случайных неоднородностей ионизации, размеры, форма и электронная концентрация которых могут варьировать различным образом.

Применение соотношения (1) для оценки электронной концентрации соответствует первому типу отражения, т. е. «классическому» случаю отражения от регулярных ионосферных слоев. Отражающий объект должен иметь размеры не меньше диаметра первой френелевой зоны. В силу условий радиолокационного отражения (совмещенные или близко друг к другу находящиеся антенны передатчика и приемника), отражающую поверхность надо представлять себе расположенной нормально по отношению к лучу локатора. Так как диаметр френелевой зоны для волны около 4 ж и расстояния порядка 300 км (минимальная дальность для обычных радиолокационных отражений от полярных сияний) равен примерно 1 км, то таков же должен быть и наименьший поперечник области ионизации, в которой средняя электронная концентрация имеет величину порядка 10 -f-10 электрон-см'. G точки зрения сведений о полярных сияниях, получаемых в результате оптических наблюдений, такие размеры областей ионизации не встречают каких-либо возражений. Действительно, как горизонтальные, так и вертикальные размеры дуг и драпри полярных сияний, не говоря о диффузных образованиях, значительно больше, чем 1 рм. Протяженность сияний в глубину, по-видимому, достигает сотен метров, а может быть и более. В противоречии с изложенными представлениями о строении ионизированных отражающих областей и механизме отражения оказывается оценка интенсивности отраженных сигналов. Уже на основании результатов первых наблюдений14 было показано, что мощности приходящих сигналов намного (на 40—60 дб) меньше, чем этого требует только что описанная простая интерпретация. Очевидно, предположение о том, что при «авроральных» отражениях имеет место явление, аналогичное обычному отражению от ионосферных слоев (но на значительно больших частотах), не согласуется с основными результатами наблюдений.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Дальнейшие заключения в смысле выбора между механизмами отражений оказываются гораздо более трудными. Хотя вопрос о механизме отражения и основных физических характеристиках отражающих образований остается центральным вопросом всей проблемы и в той или иной форме обсуждается почти во всех работах, посвященных радиоотражениям от полярных сияний, однозначного ответа относительно механизма отражений, ответственного за основные черты радиоэха от полярных сияний, до сих пор нет.

Сущность затруднений, возникающих на пути интерпретации материалов наблюдений, должна стать ясной после описания самих материалов.

Но прежде чем перейтп к этому основному разделу статьи, следует сообщить некоторые данные о применяемых экспериментальных средствах исследования.

Для регистрации авроральных радиоэхо в первых наблюдениях использовалась радиолокационная техника метеорной астрономии. При организации в разных странах специальных станций радиолокационных наблюдений за полярными сияниями работа велась обычно с помощью незначительно переделанных стандартных локаторов. Позже начала применяться специализированная для определенных задач аппаратура, но максимальное число опубликованных результатов относится к работам с наиболее простой локационной техникой.

В силу относительной устойчивости радиоотражений от полярных сияний (по сравнению с метеорными отражениями) не только возможным, но и крайне желательным является применение направленных подвижных антенн.

На большинстве станций обеспечивается возможность вращения антенн только вокруг вертикальной оси, но в некоторых случаях — также и вокруг горизонтальной. Следует указать, что при заданной угловой ширине луча вероятность приема отражений от полярных сияний зависит от мощности и длительности импульса, возрастая пропорционально излучаемой энергии.

Таблица I содержит основные параметры радаров, обычно используемых для исследования полярных сияний (составлена по материалам с л е д у ю щ и х работ 14,16,17-19,21,22 м,»в,во,84,42.71)#

–  –  –

Первая послевоенная публикация о наблюдении радиоотражений, связанных с полярными сияниями, принадлежит Ловеллу, Клеггу 202 Б А. БАГАРЯЦКИЙ и Элиетту и. Поскольку даваемое этими авторами описание явления довольно типично для многих последующих работ, приведем из него основные факты. Установка находилась в южной Англии, в районе радиоастрономической обсерватории Джодрел-Бэнк и имела своим основным назначением исследование метеоров. Работа велась одновременно на частотах 46 и 72 Мгц. Антенны радаров имели слабую направленность (усиление относительно полуволнового диполя было равно 4). Основной лепесток диаграммы излучения был ориентирован в зенит. Отраженные сигналы, наблюдавшиеся в ночь с 15 на 16 августа 1947 г., имели большую длительность. Сигнал на частоте 46 Мгц фиксировался на экране локатора в пределах получаса; однако на частоте 72 Мгц отражения существовали лишь небольшую часть этого времени. На той и другой частоте отражения сохраняли приблизительно постоянную дальность порядка 450—480 км, хотя определенную часть времени область отражений простиралась до 600—700 км.

Одновременно с радиоотражениями визуально наблюдалось полярное сияние. Вблизи северного горизонта оно возникло в виде световых столбов за несколько часов до появления радиоотражений; в зените станции Джодрел-Бэнк появление светящегося облака совпало с началом радиоэха. Отражения прекратились приблизительно одновременно с распадом облака на отдельные полосы. Ловелл, Клегг и Элиетт сделали из этого вывод, что ими наблюдались устойчивые (на частоте 46 Мгц) отражения от области повышенной ионизации, совпадавшей с облакообразным полярным сиянием в зените. Авторы предположили, что ионизация в облаке была выше критической для частоты 46 Мгц (Nm2,6-107 CM~S), хотя, вероятно, не превышала 6,5· 10 см~, и что дальность отражения (·~480 км) характеризовала действительную высоту полярного сияния.

Как было выяснено на основании ряда последующих работ, эти заключения оказались ошибочными. Все позднейшие наблюдения, проводившиеся с применением более узконаправленных антенн, показали, что зенитная область, как правило, не является ответственной за формирование отражений во время полярных сияний. Далее, высоту свечения 480 км следует признать чрезмерно большой для сияния того типа, какой наблюдался Ловеллом и др. Наконец, как первым указал Герлофсон 15, предположение о полном отражении от ионизированного облака нельзя согласовать с оценками интенсивности отраженных сигналов.

Опуская описание ряда последующих экспериментов 1 6 ~ 2 4, сформулируем основные черты явления радиоотражений от полярных сияний, какими они представляются в настоящее время.

а. Д а л ь н о с т ь отражений Отраженные сигналы, как правило, приходят с расстояний 300—700 км и более. Хотя полярное сияние, наблюдаемое одновременно с отражениями, может разыгрываться в зените наблюдателя и, следовательно, расстояние до его нижней границы в таких случаях вряд ли больше 100—150 км, отражений на этих дальностях не наблюдается. Исключения из этого правила редки.

Указания на них можно найти в работе Мак-Кинли и Милмана 2 5 (Оттава), обнаруживших постоянное присутствие слабых отражений на частоте 33 Мгц при дальностях 80—90 км, и в работе Бирфельда 8, наблюдавшего близ Мурманска случаи отражений с дальностями, начиная от 150 км.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

6. Т и п н отражений Отраженные группы сигналов часто заполняют на экране локатора интервал дальности протяженностью в несколько сотен километров; такие

–  –  –

г. Д л и т е л ь н о с т ь отражений Средняя продолжительность существования отраженного сигнала на экране локатора исчисляется минутами и десятками минут. Как указывает* Я. Г. Бирфельд а 4, иногда сигналы диффузного типа устойчиво сохраняются в течение многих часов. За это время сигналы могут менять свою форму (например, форму огибающей на развертке «дальность — амплитуда»)г интенсивность, протяженность и дальность, но не исчезают с экрана.

В других случаях время существования сигнала измеряется секундами (обычно это дискретные сигналы); иногда может наблюдаться сравнительнобыстрое исчезновение сигналов на одних дальностях и появление их на других, со седних8 · 2 4.

нственное расположение облаете д. о с отражений Для станций северного полушария области, откуда приходят отражения, статистически располагаются преимущественно в северном квадранте относительно станции. Картина не зависит от того, удалена ли станция наблюдения от зоны полярных сияний в сторону низких или высоких широт, или же расположена в самой зоне. Первоначально существовавшее мнение, что области отражений располагаются симметрично относиРАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ тельно геомагнитных меридианов соответствующих станции, по-види мому, неверно. Наблюдения последних лет 2 7 · 30 · 3 1 заставляют связать симметрию отражающих областей скорее с локальными магнитными полями в окрестности каждой станции, т. е. с направлением магнитного склонения. На рис. 3 приведены осредненные данные для нескольким станций. Стрелкой Г обозначено направление на геомагнитный полюс стрелкой — направление магнитного склонения вблизи соответствую щих станций; можно видеть, что зоны отражений группируются около послед- г них направлений.

е Ракурсная чувствитель ность отражении При наблюдениях на среднеширотных Геомагнитн станциях, таких как Джодрел-Бэнк, Осло, широта Саскатун, Рощино (Ленинград) и др., радиоотражения от полярных сияний не появляются при углах возвышения над горизонтом, больших 10-е-12°. Это можно было бы объяснить тем, что в средних широтах полярные сияния вообще, как правило, не наблюдаются высоко над горизонтом. Неожиданным обстоятельством является, однако, то, что станции, расположенные в зонах полярных сияний или в непосредственной близости от этих зон, такие как Тромзе, Кируна, Фербенкс, Лопарская (Мурманск) и др., также практически никогда не фиксируют радиоотражений под большими углами к горизонту, независимо от того, сколь интенсивны визуальные формы сияний, которые наблюдаются в моменты отражений вблизи зенита наблюдателя*). Факт отсутствия отражений под большими углами к горизонту был тщательно проверен Харангом и Ландмарком 2 2 в Тромзе на частотах 35 и 74 Мгц, и Кюрри, Форситом и Воутером 1 9 в Саскатуне на частотах 56 и 106,5 Мгц. Направление излучения антенны могло изменяться в вертикальной плоскости от 0 до 45° (для 106,5 Мгц—до 90°), следуя за яркими визуальными формами сияний. В обоих случаях предельРис. 3. Полярные диаграммы ным углом возвышения для приема отра- показывающие среднее распре жений оказывается угол, приблизитель- деление отраженных сигналов но равный 15°. по азимутам для разных 3 2 стан ций (по данным 18 3 0, ) Совокупность азимутальных и связанных с углом места особенностей отражений от полярных сияний, обнаруживаемая при работе с направленным лучом, получила название «ракурсной чувствительности отражений»

*) Я. Г. Бирфельд 8 сообщает об отдельных случаях приема зенитных отраж( яий в Лопарской, близ Мурманска.

206 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ ж. О т о ж д е с т в л е н и е отражающих облаете с визуальными особенностями структуры нолярных сияний Сообщения разных авторов по этому вопросу весьма противоречивы.

В более ранних наблюдениях 1 7. 1 8 авторы пытались установить четкую связь между приходом отражений и появлением ярких форм сияний в соответствующих точках неба. Иногда подчеркивается преимущественная роль лучистых форм 19 32. Большинство позднейших работ, однако, свидетельствует о том, что прямой связи между отражающими областями и какими-либо характерными структурными особенностями визуальных форм сияний, по-видимому, не наблюдается 20 2 2 - 2 9 · 33 3*. Следует учесть, что в случае дальностей порядка 600—800 км, характерных для радиоотражений от полярных сияний, последние должны находиться низко над горизонтом, когда детали уже трудно различимы.

з. В ы с о т а отражений При изучении полярных сияний оптическими методами весьма трудоемкой и вместе с тем важной задачей является определение абсолютной высоты свечения. Большое количество оптических измерений высот полярных сияний методом параллактической фотографии было выполнено Штёрмером"и его сотрудниками 35 в Норвегии. Но современные фотоэлектрические методы фотометрии полярных сияний требуют быстрых определений высоты свечения. Первоначально предполагалось, что выполнение Рис. 4. Отражения от протяженного тонкого слоя, т принимаемые на многолепестковую антенну (Ануин и Гэдсден„2В 2 7 ).

а) — запись яркостного отметчика на движущуюся пленку; б) — картина на экране амплитудного отметчика.

этой задачи может взять на себя радиолокация. Эта цель пока не достигнута и, к сожалению, следует признать, что она вообще не достижима при использовании современных] методов, по причине, указанной в пп. в и ж (отсутствие строгой корреляции видимых форм сияний с радиоотражениями).

Высота самих отражающих образований, конечно, может быть с большей или меньшей точностью определена по наклонной дальности и углу места отражений. Для повышения точности используется многолепестковость диаграмм направленности антенн. Кюрри, Форсит и Воутер, проведя довольно кропотливый учет поправок на рефракцию и зависимость частоты появления сияний от геомагнитной широты, получили н качестве средней высоты отражающего слоя цифру, близкую к 110 км.

В. Н. Довгер 3 6, используя двухлепестковую диаграмму антенны («волновой канал») с качающимся лучом, получил значения высот отражающих образований от 80 до 160 км, с точностью каждого измерения около ^ 5 км.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

–  –  –

*) Вопрос о дневных отражениях рассматривается в § 3

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Знак магнитного возмущения, «предпочитаемый» радиоотражениями, на двух указанных станциях оказывается различным: в Рощине положи

–  –  –

тельные бухтообразные возмущения почти никогда не сопровождаются радиоотражениями, тогда как в Джодред-Бэнке вероятность появления отраже- ^ ний при положительных бухтах оказывается примерно вдвое больше, чем при отрицательных.

Для станции Якутск, как показал В. И. Ярин 4 8 на довольно большом статистическом материале, радиоотражения на частоте 72 Мгц в течение большей части суток коррелируют с отрицательными магнитными возмущениями (от уровня спокойного поля) и лишь в вечерние часы — с положительными.

3 S679 Кривые рис. 8 изображают полу- К-индека ченную Гэдсденом при исследованиях Рис. 8. Зависимость между вев Новой Зеландии среднюю зависимость роятностью радио отражений и между местным -индексом магнитной if-индексом магнитной активноактивности и вероятностью радиоотра- сти (по Гэдсдену 4 ).

жений на частоте 55 Мгц. (Пункт наблюдения имел геомагнитную широту 51°,5 S; значения isT-индекса брались для острова Маккуори, широта которого близка к предполагаемой 210 В А БАГАРЯЦКНЙ широте области отражений.) Аналогичную зависимость получил в Оттаве на частоте 50 Мгц Бхаттачарайя 5 0. Последний, однако, не обнаружил какого-либо различия в появлении отражений при положительных и отрицательных бухтах. Вероятность возникновения отражений в обоих случаях была одинаково высокой (82—86%). Бхаттачарайя также отмечает систематическое запаздывание на несколько минут момента наступления максимума магнитного возмущения по отношению к максимуму интенсивности отражений.

–  –  –

Избирательность радиоотражений по отношению к знаку магнитных возмущений, согласно некоторым предположениям 4 6 · 5 0, связана с тем, что при отрицательных бухтах ионизация и ионосферные токи локализуются в более низких широтах, чем при положительных возмущениях. Для высокоширотных радиолокационных станций это должно приводить к исчезновению отражений с северного (преобладающего) направления, тогда как для среднеширотных пунктов это обстоятельство, очевидно, будет менее существенным.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

В качестве иллюстрации параллельного хода интенсивности радиоотражений и магнитных бухт приводим одну из магнитограмм Вэллафа, Дэвидсона, Кэйзера и Уоткинса 46, на которой ход интенсивности и направление дрейфа фронта отражений сопоставляются с ходом магнитного возмущения (рис. 9). Как видно из этого рисунка, отражения на станции Джодрел-Бэнк коррелируют с бухтами обоих знаков, но вместе со знаком бухты изменяется направление дрейфа отражений. Это обстоятельство согласуется с приведенной выше интерпретацией Бхаттачарайя &и.

–  –  –

В 1957 г. были впервые начаты наблюдения за радиоотражениями в Антарктиде. На рис. 10, опубликованном Харрисоном и Уоткинсом 5 1, изображено для станции Холли-Бэй (географические координаты 75°,5 S и 26°, 6 W) распределение числа часов приема отражений по дням в течение шести месяцев работы станции (верхняя диаграмма). Ниже даны распределение суточных сумм планетарного Ж-индекса (Kv) и диаграмма приема отражений за тот же период на станции Джодрел-Бэнк. Бросается в глаза почти полное совпадение первых двух диаграмм: число часов, в течение которых в определенный день удается наблюдать радиоотражения, пропорционально степени магнитной возмущенности дня. Нижняя диаграмма рис. 10 говорит о такой же закономерности и для станции Джодрел-Бэнк, хотя из-за среднеширотного расположения этой станции вероятность приема радиоотражений там значительно меньше по сравнению с Холли-Бэй.

В 1959 г. советскими исследователями Б. Е. Брюнелли и С. М. Сандуленко велись радиолокационные наблюдения за полярными сияниями на станции Мирный 3 1. Локатор имел частоту 72 Мгц и мощность в импульсе 75 кет. Мирный находится внутри южной зоны полярных сияний, а плоскость магнитного меридиана проходит через станцию в направлении восток — запад. Максимальное число радиоотражений наблюдается с востока, т. е. со стороны магнитного полюса, в хорошем согласии с правилом ортогональности отражения (см. § 4), если за действующее поле на высотах около 100 км принять локальное, но не геомагнитное поле. Распределение дальностей отражений, принимаемых в Мирном, дано на рис. 11.

Согласно вычислениям Брюнелли и Сандуленко высоты точек отражения, 212 Б А БЛГАРЯЦКИИ

–  –  –

изображен суточный ход изменения дальности отражений, принимаемых в Рощино, и ход одновременного изменения горизонтальной составляющей магнитного поля в зоне, близкой к области отражений. По мнению автора, изменение дальности отражений можно интерпретировать как непосредственный результат изменения наклона магнитных линий к земной поверхности в той области, откуда приходят отражения. Это в свою очередь вызывает смещение точек, удовлетворяющих условиям ортогональности.

Некоторые оптические наблюдения довольно наглядно демонстрируют реальную возможность местных изменений кривизны магнитных линий во время полярных сияний. Так, например, Эббот53 наблюдал в процессе развития короны (зенитная форма полярного сияния) смещение точки радианта лучей сияния на величину до 7,5°, хотя в это же время основные магнитные элементы, измеренные у поверхности земли, оставались почти неизменными.

Помимо непосредственной и тесной корреляции с магнитными возмущениями tZ 18 (и периодическими вариа- ч

- местное Время циями), по-видимому, мож- Рис. Id. Корреляция средней дальности отражено констатировать опреде- ний с вариациями магнитного поля (Х-компоненты) (по Погорелову 5 2 ).

ленную корреляцию радиоотражений с солнечной активностью. На существование такой зависимости указывает Я. Г. Бирфельд 8, который, сопоставив результаты наблюдений приблизительно за пять лет (1954—1959 гг.), приходит к выводу, что по мере приближения к максимуму солнечной активности, число и интенсивность радиоотражений возрастают. Очевидно, эта тенденция вполне соответствует закономерности, уже давно установленной для магнитных возмущений и полярных сияний.

Таким образом, доступный анализу материал наблюдений позволяет констатировать, что между магнитными возмущениями и появлением аномалий в полярной ионосфере, выражающихся в наличии «авроральных» радиоотражений, имеет место несомненная корреляция. Можно думать, что в результате вторжения корпускулярных потоков ионосфера в зоне полярных сияний и околополюсной области приобретает ряд новых свойств, отсутствующих в более спокойные периоды и не отмечающихся на других широтах.

§ 3. СВЯЗЬ РАДИООТРАЖЕНИЙ С НЕКОТОРЫМИ ^ОСОБЕННОСТЯМИ

СПОРАДИЧЕСКОЙ ИОНИЗАЦИИ ВБЛИЗИ ЗОН ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Наряду с существованием «авроральных» радиоотражений полярная ионосфера характеризуется также другими аномалиями.К ним относятся повышенная интенсивность спорадической ионизации типа Eg, i?2S -^s аномальное поглощение и др.

Подробное рассмотрение вопроса о спорадической ионизации не входит в задачи данной статьи, но краткий обзор наблюдающихся в высокоширотных областях закономерностей iJs-ионизации представляется полезным в связи с наличием определенной корреляции ее с радиоотражениями.

2 УФН, т. LXXIII, вып. 2 214 Б А. БАГАРЯЦКИЙ Спорадическая ионизация в полярных районах значительно более интенсивна, чем в каких-либо других областях 54 — 56. Спорадические слои на высотах от 100 до 150 км возникают там более часто и существуют в среднем более продолжительное время. Установленным фактом можно считать, что ход интенсивности Дд-ионизации в высоких широтах контролируется геомагнитным временем. На это одним из первых обратил внимание В. М. Дриацкий б6, указавший, что максимум Дд-ионизации, по данным арктических станций восточного полушария, совпадает примерно с геомагнитной полуночью. Пендорф и Коронити 56 получили тот же результат для западного полушария, указав, что он справедлив только для стаиций, лежащих севернее зоны полярных сияний. Максимум Дд-ионизации для станций, лежащих в зоне полярных сияний, соответствует, как правило, времени до местной полуночи, причем разброс для отдельных станций может «достигать + 2—3 часов.

Как и «авроральные» радиоотражения на УКВ-частотах, спорадические ^-образования в зоне полярных сияний почти не наблюдаются в дневные часы суток. Это относится, по данным Пендорфа и Коронити 8 6.

одинаково к Дд-отражениям с предельными частотами fE 5 Мги и / л 7 Мгц. Такое поведение Дд-ионизации подтверждается другимв наблюдателями. Я. И. Фельдштейн 5 7, ведший наблюдения на о-ве Диксон, указывает, что ночные слои Es (он их обозначает как Ея) обычно полностью исчезают в дневное время даже в периоды сильных магнитных возмущений.

Аналогичный суточный ход появления Дд-отражений в jyiyp манске наблюдали в течение ряда лет Р. А. Зевакина и 3. Ц. Раппопорт 54.

Вероятность появления Д§ в ночные часы, как пишут эти авторы, дости гала90%, а максимум Дд-отражений совпадал с местной полуночью.

Интересные данные, основанные на обработке наблюдений на станции СП-3 (1954—1955 гг.), сообщают В. М. Дриацкий и А. С. Беспрозванная 65.

Станция СП-3 дрейфовала внутри зоны полярных сияний; часть времени она находилась в непосредственной близости к географическому полюсу.

Средняя магнитная возмущенность в районе полюса была много ниже, чем за тот же период в зоне полярных сияний (бухта ТИКСИ, о-в Диксон).

Постоянный слой полностью отсутствовал в зимние месяцы, когда Солнце было ниже 10,5° под горизонтом. Спорадический слой Дд (а также расположенный несколько выше слой Дгв) наблюдался во все периоды года, хотя предельные частоты fE 7 Мгц фиксировались значительно реже, чем /„ 3 Мгц. Осредненные данные позволяют заключить о корреляции между суточным ходом магнитной возмущенности (г"^.) и поведением Eg: увеличению fE соответствовал рост магнитной активности.

По-видимому, определенное положение максимума во времени, характерное для менее высоких широт, на станции СП-3 не наблюдалось, что может быть связано как с перемещением станции, так и с ее положением внутри зоны полярных сияний. Наиболее часто Дд-отражения появлялись в утренние часы по местному времени на станции СП-3.

Таким образом, характер распределения спорадических ^-отражений во времени вблизи зоны полярных сияний и севернее этой зоны коренным образом отличается от суточного хода Дд-отражений в южных широтах (см., например, 5 8 ), где максимум появления Es почти всегда приходится на дневные околополуденные часы.

Поэтому авторы приведенных выше работ 54 ~ 57 единодушно сходятся на том, что главным фактором, обусловливающим спорадическую ионизацию в полярных районах, является корпускулярная радиация

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Солнца, т. е. тот же агент, который служит причиной возникновения полярных сияний и магнитных возмущений. Очень веским дополнительным аргументом в пользу того, что корпускулярные потоки играют решающую роль в формировании полярной ионосферы, являются, по мнению В. М. Дриацкого и А. С. Беспрозванной 55, некоторые наблюдавшиеся ими особенности поведения слоя^ 2, например, большие значения и частая изменчивость в зимний период критических частот fop в околополюсном районе.

Были сделаны некоторые попытки найти прямую корреляцию между спорадической 8 -ионизацией и визуально наблюдаемыми полярными сияниями (а также и магнитными возмущениями). Можно указать работы Кнехта 5 9, Ф. Я. Заборщикова и Н. И. Федякиной 60, Я. И. Фельдштейна 5 7. В первой из этих работ, проводившейся в Барроу (Аляска), Мги /4 щ

–  –  –

было исследовано 10 ночей в период значительной активности полярных сияний (весеннее равноденствие). Итоги исследований Кнехта можно свести к следующему:

а) Если полярное сияние наблюдалось близко к околозенитной области и по своей визуальной яркости не относилось к числу исключительно сильных (балл4 по четырехбалльной шкале), то можно было установить отчетливую корреляцию между яркостью сияния и предельной частотой отражений от слоя Es (рис. 14). Частота fE, а следовательно, и электронная концентрация увеличиваются с ростом интенсивности полярного, сияния.

б) Имелись исключения из этого правила, а именно: г.траженвд от спорадических слоев не наблюдались, во-первых, при очень слабыж 216 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ

–  –  –

ждается значительными колебаниями средней интенсивности сигнала и увеличением частоты федингов, которая возрастает от единиц до сотен герц 2 ' 7 3 2. (Отметим интересный опыт, проведенный Джеймсом и д р. 6 1 для изучения поведения сигнала при прохождении через «авроральную»

зону возмущения. Была использована линия передачи с отражением от Луны. Передатчик мощностью 10 кет, работавший на частоте 440 Мгц, располагался в Колледже, приемник — в Оттаве. Было обнаружено, что в периоды большой активности полярных сияний увеличивается уровень федингов и возникают быстрые флуктуации направления плоскости поляризации отраженного сигнала. Увеличения поглощения обнаружено не было *).) Представление о характере физических процессов в ионосфере во время вторжений корпускулярных потоков дает одновременная запись изменения силы сигнала на двух частотах во время полярного блек-аута7 (рис. 16). Резкое 40 ослабление сигнала на частоте 28 Мгц при этом ионосферном возмущении сопровождалось '^'fffiOMeii, увеличением интенсивности сигнала на частоте 49 Мгц при начале блек-аута; понижение уровня космических радиошумов (на том же рисунке внизу) 20 · фиксирует наступление и конец блек-аута. Ослабление сигнала на частоте 28 Мгц означает резУровет_ шума, кий скачок поглощения, проис- /7Д/№/№№ Оходящего, по-видимому, на 1 I уровне слоя D; если бы одно- W0 Местное бремя временно не наблюдалось увеличение рассеяния в слое (что Рис. 16. Вариации уровня сигналов на чавидно из поведения сигналов стотах 27,775 и 49,80 Мгц во время полярного блек-аута.

49 Мгц), скачок был бы еще большим. Такое сочетание яв- Нижняя частоте 6,08 Мгц (по Бейли и др.').

кривая — уровень космических шумов на лений, т. е. мощное поглощение на коротких волнах и одновременное усиление отражения в коротковолновой части УКВ-диапазона, совпадающее по времени с началом магнитной бури и появлением полярных сияний, характерно для условий распространения в полярной ионосфере.

Специальное исследование особенностей «аврорального» распространения ультракоротких волн в диапазоне около 40 Мгц и сопоставление их с магнитными возмущениями выполнено Форситом с сотрудниками ".

Исследованию подвергались трассы, расположенные в достаточной близости к зоне полярных сияний, либо пересекающие ее. Расстояния между передающими и приемными пунктами были порядка 800—1200 км; можно было считать, что радиосвязь между этими пунктами осуществлялась за счет ионосферного распространения, с отражением волны приблизительно в середине траектории. Работа велась при непрерывном излучении.

На приемных пунктах автоматически регистрировалась интенсивность *) Изменения состояния поляризация при отражении от ионизированных областей полярных сияний исследовались в ряде работ (см.62). Как правило, наблюдается почти полная деполяризация отраженного сигнала. Интенсивность отраженных сигналов мало зависит от того, в какой плоскости (вертикальной или горизонтальной) поляризовано излучение антенны передатчика.

218 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ приходящего сигнала. Авторы исследовали и классифицировали все основные случаи возрастания интенсивности отраженных сигналов; их оказалось возможным разделить на несколько групп, выделив следующие типы отражений:

Т и п Е. Внезапное значительное усиление уровня сигнала продолжительностью от одного до трех часов. Сигналы от метеоров пропадают на фоне возросшей амплитуды непрерывного сигнала передатчика. Однако уровень сигнала не остается постоянным, а подвергается медленным и глубоким замираниям. При этом типе ионосферного возмущения вблизи трассы не замечается признаков магнитного возмущения.

Т и п S. Сравнительно медленное, многочасовое усиление уровня сигнала, сопровождающееся учащением замираний. Метеорные сигналы остаются видимыми на фоне увеличенной амплитуды сигнала передатчика. Сопутствующих магнитных возмущений не наблюдается.

–  –  –

_^,Типы А,, А2 и А3. Общим для них является наличие одновременных магнитных возмущений. При этом при отражениях типа А, происходит резкое и значительное усиление сигнала, сопровождающееся быстрыми замираниями; при отражениях типа А2 наблюдается, как и в случае А15 резкое усиление сигнала, но сопровождаемое медленными и глубокими замираниями; наконец, отражение типа А3 носит такой же характер, как и в случае типа S, однако одновременно имеет место магнитное возмущение.

Примеры регистрации всех этих типов отражений изображены на рис. 17.

При отражениях типа и S не наблюдалось одновременного развития полярных сияний; сияния почти не появлялись также при отражениях типа А8. Отражения А1 и, особенно, А2 сопровождались в значительном числе случаев полярными сияниями.

Продолжение опытов при несколько пониженной чувствительности 6В аппаратуры (см. работу Форсита, Грина и Ма ) подтвердило целесообразность предложенной классификации и неслучайный ее характер.

Но при меньшей чувствительности основными остались отражения типа S

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 219

и А2 (в дальнейшем обозначаемые просто А). «Авроральные» отражения типа А оказались определенно тяготеющими к зоне полярных сияний и имеющими максимум в околополуночные часы местного времени.

S-отражения имели явно выраженный дневной максимум (12—14 часов местного времени), а в зоне полярных сияний оказались несколько менее "частыми, чем при отражениях южнее и севернее этой зоны. Так как передача и прием велись с помощью направленных антенн, опыты Форсита л др. позволили, до известной степени, выяснить, как различаются во всех перечисленных случаях геометрические условия отражения. Предваряя обсуждение вопроса о геометрии отражений (см. § 4), укажем, каковы результаты этих опытов. При отражениях типа А1 и А2 обнаружилась зависимость отражения от угла встречи луча радиолокатора (его волнового вектора) с магнитной силовой линией. Для Ах этот угол оказался очень мало отличающимся от 90°, что в свете гипотезы Герлофсона — Чэпмена означает отражение, близкое к зеркальному, для А2 отклонения от угла зеркального отражения достигали 30—40°.

В случае отражений прочих типов (А3, Е, S) никакой селективности отражений по отношению к какому-либо углу отражения не наблюдалось.

Отражения типа, по мнению авторов, не связаны с полярными сиддияхи и магнитными возмущениями и являются результатом прохождения ионизированных облаков нормального типа E s. Сходство отражений типов S (без магнитных возмущений) и А3 (сопровождаемых магнитными возмущениями) означает сходство в структуре ионизированных образований, по-видимому, слабоанизотропных. Природу ионизирующего фактора, ответственного за появление S-отражений и, возможно, не связанного

-с зоной полярных сияний, авторы оставляют открытой. Появление отражений типа А происходит, по мнению Коллинза и Форсита 64, в результате проникновения корпускулярных потоков. Слабую анизотропию ионосферных неоднородностей в случае отражений А8 они связывают с фактором турбулентного перемешивания на сравнительно низких уровнях ионосферы, где упорядочивающее воздействие магнитного поля не может существенно проявиться. Исходя из такого предположения, отражения типов Ах и А2, характеризующиеся существенной анизотропностью отражающих образований, авторы относят к большим высотам, чем А3, и приписывают их воздействию на ионосферу корпускулярных потоков значительной интенсивности.

В заключение параграфа кратко рассмотрим некоторые данные о дневных отражениях. Как уже указывалось (§ 1), для большинства станций общим правилом является резкое уменьшение числа отраженных сигналов (или даже полное их исчезновение) в дневное время, примерно между 9 л 14 часами местного времени. Этот факт не тривиален, поскольку такой jcofl авроральных радиоотражений заранее не является очевидным. В первый период исследований нередко делались оптимистические прогнозы о том, что невидимые днем полярные сияния, быть может, окажется возможным обнаруживать и изучать при помощи радиолокационных отражений. Специфический суточный ход вероятности отражений сделал эти предположения бесперспективными. Учитывая все обстоятельства корреляции радиоотражений с магнитными возмущениями и полярными сияниями, можно, по-видимому, сделать важный, хотя пока предварительный вывод о том, что «дневных полярных сияний» на земном шаре, как правило, не происходит. Еще несколько лет назад это утверждение невозможно

-было подкрепить какими-либо прямыми доказательствами; отсутствие полярных сияний днем можно было объяснять нросто невозможностью их наблюдать. (Известна, например, попытка Патона и Эллисона 66 ' 6 ?

220 В. А. БАГАРЯЦКИЙ наблюдать сияние в районе Исландии во время полного солнечного затмения 1954 г. Ими не было замечено признаков сияния.) Вместе с тем стоит отметить, что для теории полярных сияний и магнитных бурь, опирающейся на представления о вторжении в атмосферу корпускулярных потоков, трудности интерпретации в настоящее время не уменьшились, а увеличились. Если теория Штёрмера довольно легко справлялась с объяснением прихода корпускул на ночную, неосвещенную Солнцем сторону Земли, то включение в рассмотрение радиационных поясов Земли — резервуаров корпускул в ближайшем околоземном космическом пространстве — усложняет дело. Законы «вытряхивания» корпускул и»

радиационных поясов в моменты их неустойчивости значительно менее ясны, чем закономерности вторжения корпускул прямых солнечных потоков.

Можно считать, что хотя резко выраженный дневной минимум радиоотражений в зоне полярных сияний пока не объяснен, он во всяком случае подчеркивает корпускулярную природу агента, ответственного за комплекс «авроральных» процессов.

Редкая наблюдаемость радиоотражений днем является лишь общим правилом. Для отдельных станций это не совсем так. Есть станции, где днем отражения наблюдаются довольно регулярно, хотя интенсивность дневной активности обычно меньше, чем ночной. Трудно решить, какую роль здесь играют характеристики аппаратуры, ее чувствительность и другие параметры. Мы уже упоминали об S-отражениях Форсита и др. в 4 в 6.

Аналогичные наблюдения при наклонном зондировании (трасса Кэми • — Кируна длиной 310 км; частота 92,8 Мгц) описывают Эгеланд, Хультквист и Ортнер 68. Ими зафиксирован дневной максимум в 12—16 часов местного времени, причем характер дневных и ночных сигналов аналогичен.

Я. Г. Бирфельд 44 дал обстоятельную сводку особенностей приема дневных отражений на ряде станций Советского Союза и указал также на наблюдавшиеся им всплески отражений в дневные и утренние часы в периоды хромосферных вспышек 8. Интересные данные сообщают Преснелл и др. 3 4 о радиозондировании сияний в Колледже (Аляска) на сверхвысоких частотах (216; 398 и 780 Мгц). Отражения на первых двух из этих частот регулярно возникали параллельно с отражениями на частоте 41 Мгц, причем двум типам сигналов (диффузные и дискретные) соответствовали совершенно определенные условия появления. Дискретные сигналы наблюдались только в то время, когда область формирования отражений не была освещена Солнцем. Диффузные сигналы, наоборот, возникали преимущественно в дневные часы. В отличие от наблюдений Форсита в4 6 Б Г обоим типам отражений соответствовало усиление магнитной активности.

Работа на очень высоких частотах позволила авторам выявить резкоразличный характер структуры отражающих областей при двух указанных типах сигналов: дискретным, ночным сигналам соответствовала вертикально протяженная отражающая поверхность (образующие этой поверхности, по-видимому, были параллельны силовым линиям земногомагнитного поля), тогда как при диффузных сигналах отражения происходили от горизонтально-протяженного слоя. Высота отражений в обоих случаях отвечала уровню слоя ионосферы.

В литературе можно найти и некоторые другие указания на наблюв9 дение дневных УКВ-радиоотражений ; часть таких сообщений исходит от наблюдателей, работавших в большом удалении от зоны полярных сияний, в средних или даже тропических широтах. Всех этих материалов пока недостаточно для заключений о природе «дневных»

УКВ-отражений.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 221

§ 4, ГЕОМЕТРИЯ РАДИООТРАЖЕНИЙ Как было указано в § 1, главными особенностями «геометрии» радиоотражений от полярных сияний являются: отсутствие отражений под сколько-нибудь значительными углами к горизонту, сосредоточение дальностей преимущественно за пределами 400—500 км (с тенденцией роста дальностей для более высокоширотных станций) и расположение отражающих областей в основном в северном квадранте относительно станции, независимо от географической широты станции (если иметь в виду северное полушарие).

Так как было констатировано, что высоты, на которых возникают «авроральные» отражения, соответствуют примерно высотам слоя Е, то первые два обстоятельства, очевидно, связаны друг с другом. Верхний предел дальностей (около 1200—1400 км) для прямых отражений может определяться тем обстоятельством, что более далекие области скрыты за горизонтом наблюдателя.

Для объяснения «ракурсных» особенностей ионосферных отражений, связанных с магнитными возмущениями и полярными сияниями, предложено несколько гипотез. Основой общепринятой интерпретации является гипотеза Герлофсона — Чэпмена, прочие представляют сейчас только исторический интерес.

Так, Форсит, Кюрри и Воутер 19 выдвигали предположение, что угловой эффект обусловливается сильным поглощением в слое, располагающемся непосредственно ниже зон отражения. Однако величина необходимого поглощения, по-видимому, не реализуется в действительности.

Согласно Мак-Кинли и Милману 2 5 ослабление космических шумов, наблюдаемое во время полярных сияний, достигает в соответствующем частотном диапазоне лишь нескольких децибел, тогда как ослабление, требуемое гипотезой Форсита и др., должно достигать десятков децибел.

По вычислениям Чэпмена и Литтла 7 0 увеличение поглощения на высотах 80—90 км составляет во время полярных сияний примерно 2,5 дб на частоте 30 Мгц.

Харанг и Ландмарк 2 2, основываясь на некоторых особенностях наблюдавшихся ими отражений на двух различных частотах, предположили, что радиоэхо во время полярных сияний возникают в результате двойных отражений от земной поверхности и ионосферы. Угловой эффект, по мнению Харанга и Ландмарка, определяется не анизотропией отражающих образований, а существованием различных предельных углов падения при работе на разных частотах. В практике радиопередачи этот эффект хорошо известен и учитывается «фактором МПЧ» (максимальной применимой частоты). Наблюдавшиеся Харангом и Ландмарком частотные особенности отражений не подтвердились при последующих опытах.

Принятое в настоящее время большинством исследователей объяснение «ракурсной чувствительности» впервые предложено Герлофсоном15.

В развитие этой идеи Чэпмен 38 опубликовал работу, содержащую формулы, таблицы и графики для расчета «геометрии радиоотражений».

Согласно гипотезе Герлофсона — Чэпмена «ракурсная чувствительность»

радиоотражений от полярных сияний, как и особенности отражения от метеорных следов, объясняется анизотропией отражающих ионизированных образований. Фактором, контролирующим характер анизотропии, служит в случае полярных сияний магнитное поле Земли. Предполагается, что отражающие центры «авроральной» ионизации располагаются вдоль силовых линий поля, образуя вытянутые вдоль них структуры. Если допустить близкий к зеркальному характер отражения на пограничных поверхностях, то легко объясняется ракурсная чувствительность. Как 222 Б А БАГАРЯЦКИЙ

–  –  –

Рис. 19а. Чэпменовская отражающая поверхность (меридиональное сечение) для станции с геомагнитной широтой =64°.

OD —• горизонт наблюдателя, на котором отложен масштаб дальности в километрах, О— угол места. Пунктиром показано направление линий геомагнитного поля.

Участки кривой, расположенные ниже линии Рр/~ Ps, т. е. ниже горизонта наблюдателя (тоже в первом приближении), не активны с точки зрения создания отражений. Лишь участки, расположенные над горизонтом наблюдателя, содержат точки, прием отражений от которых возмоАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ жен. Для этого, однако, необходимо, чтобы в соответствующих областях пространства имелась достаточная ионизация. Последнее означает, что практически, по-видимому, можно учитывать только те части чэпменовской поверхности, которые расположены не ниже 80—90 км над поверхностью Земли. На рис. 19а и 196 изображены для станций наблюдения

–  –  –

Рис. 196. Чэпменовская отражающая поверхность (меридиональное сечение) для геомагнитной широты =56°; (см. также подпись к рис. 19а).

с ф=64° и р=56° участки меридиональной кривой, лежащие в сторону высоких широт от наблюдателя. Чэпмен обсуждает возможность прихода отражений также от заэкваториалъных зон (участок Pg кривой рис. 18), но реально такие отражения не наблюдались.

–  –  –

Рис. 20. Сечения чэпменовской поверхности плоскостями с данным углом возвышения в меридиональной плоскости (сплошные кривые) и концентрическими с земной поверхностью сферами с заданным расстоянием от земной поверхности h (крупный пунктир), а) ф=60°, б) ф=45°.

Цифры яри буквах h ж R означают высоту и дальность соответствующей точки в километрах (по Чапмену 3 8).

Сечение чэпменовской поверхности горизонтальной плоскостью, содержащей точку наблюдения, дает кривую, близкую к кругу, для не слишком малых (см. на рис. 20 кривые 6 = 0 для =60° и =45°).

224 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ При сечении плоскостями с заданным углом возвышения (в меридиональной плоскости) точки отражения лежат на овалах. Наконец, сечение чэпменовских поверхностей сферами радиуса Л о + А (где Ло — радиус Земли), концентрическими с земной поверхностью, дает так называемые «чэпменовские локусы», т. е. положение точек оптимального отражения, соответствующих заданной высоте отражения h (на рис. 20, а пунктиром изображены локусы для высот h = 8 0 км ж h = 100 км; на рис. 20, б — локус для высоты h = 100 км). Если отражающие ионизированные авроральные области локализованы действительно в некотором узком интервале высот, «локус» дает пространственное положение зоны, ответственной за отражения.

Вопрос о происхождении анизотропии ионизации не рассматривается в работе Чэпмена. Однако и Герлофсон, и Чэпмен, как и некоторые другие авторы, считают само собою разумеющимся, что ионизация вдоль линий земного магнитного поля может неносредственно создаваться в результате движения вторгающихся в атмосферу корпускул. Иной концепции в этом вопросе придерживается Букер, соображения которого будут рассмотрены в § 5.

–  –  –

«Схема Чэпмена» явилась превосходным рабочим инструментом и с большим успехом используется при интерпретации результатов радионаблюдений полярных сияний. Поэтому можно думать, что лежащие в ее основе идеи правильны. Вместе с тем очевидно, что она содержит и существенную идеализацию. Это видно из того, что в ряде случаев наблюдаемая «геометрия отражений» не укладывается в схему Чэпмена. Среднеширотные наблюдения соответствуют ей значительно лучше, чем высокоширотные. Так, большая часть отражений, получаемых в Мурманске, Колледже (Аляска), илиТромзе (Норвегия), должна быть интерпретирована при помощи схемы Чэпмена как отражения от поверхностей, расположенных ниже 80—85 км (см. рис. 19а), что соответствует лишь уровню минимальных высот полярных сияний, и существенно ниже действительно наблюдаемых высот отражений.

Если земное магнитное поле на уровне 100—150 км не рассматривать как поле центрированного диполя, то для ряда станций чэпменовское условие ортогональности выполняется гораздо лучше. Такая замена идеаРАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ лизированного «геомагнитного поля» картиной силовых линий, связанных с локальной структурой поля у поверхности Земли, проделана в работах Погорелова 30, Ануина 26 · 2 7 и в ряде других (рис. 21 и 22).

–  –  –

Второе обстоятельство, требующее уточнения в теории Герлофсона — Чэпмена, это учет реальных индикатрис рассеяния ионизированных «авроральных» образований. Если отвлечься от выделенных Коллинзом и Форситом 64 специальных типов отражений под боль

–  –  –

Как уже было указано (§ 1), Кэйзер и группа исследователей радиоотражений, работающая на станции Джодрел-Вэнк 21. " · 4 6, придерживается особой точки зрения на пространственное расположение «авроральных» отражающих объемов. Эти авторы полагают, что ни «чэпменовскии локус», ни «локус», определяемый на основе локального магнитного поля, не соответствуют пространственному расположению отражающих образований. По мнению Кэйзера и др., наблюдаемую картину изменения дальностей эха в зависимости от азимута правильнее можно объяснить расположением отражающих центров вдоль некоторой фиксированной reoMaiнитной параллели. Для подтверждения строятся диаграммы дальность ·— азимут. Диаграмма рис. 24 из работы Кэйзера 7 3 действительно плохо

–  –  –

увязывается с «чэпменовским локусом» и лучше соответствует предположению о широтном протяжении зоны отражений. Однако на приводимой в той же работе диаграмме для станции Стэнфорд (США) этот эффект почти не выявляется. К вопросу о пространственном расположении отражающих областей и причинах «ракурсной чувствительности» вновь возвращается в недавней работе Форсит 3 3. Как уже было указано, Форситу и его коллегам не удалось доказать существования сильного поглощения в области ниже зоны отражений, и при интерпретации результатов исследований с непрерывным излучением и бнстатической (двухпозиционной) установкой 6 3 · 6 1 эти авторы присоединились к гипотезе отражения от ориентированных по магнитному полю сфероидов для тех случаев, когда в опытах наблюдалась ракурсная чувствительность.

В работе 1960 г. Форсит предлагает иное объяснение. По его мнению, ясно выраженная связь, существующая между некоторой частью сияншг и радиоотражениями, позволяет допустить, что области отражений оптического свечения действительно совпадают, хотя это может быть и не всегда очевидно для наблюдателя. Преимущественные формы сияний — дуги и полосы — обычно вытянуты на многие сотни километров в широтном направлении, но при этом имеют малую глубину (порядка 1 км).

Более редкими являются сложные формы сияний в виде петель, завитко»

я т. д. Статистическая вероятность приема отражений, при прочих равных условиях, пропорциональна интенсивности отраженных сигналов. Если считать, что имеет место некогерентное рассеяние, интенсивность отражен иого сигнала будет зависеть (при фиксированной длительности зондирующего импульса и заданных угловой ширине луча и расстоянии до цели) от поперечника «цели» и ее глубины, т. е. от величины рассеивающего объем а 8, зз, 7з_ Простые «плоские» формы сияний находятся в выгодном для создания отражений положении, если луч направлен приблизительно но

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 227

нормали к ним, т. е. примерно по азимуту «север» или «юг»; наоборот, азимуты «восток» и «запад» характеризуются малой вероятностью отражений от однородных дуг независимо от расположения станции. В противоположность этому, сложные «неплоские» формы сияний, которые встречаются реже, будут с равной вероятностью обеспечивать отражения по всем азимутам. Учитывая эти соображения и принимая во внимание также широтный фактор в появлении сияний, автор пытается рассчитать статистику появления радиоотражений для станций Саскатун и Колледж, не пользуясь никакими предположениями о микроструктуре отражающих ионизированных образований.

Соображения Форсита вряд ли могут вызвать какие-нибудь возражения, однако они до конца не объясняют, почему для станции Колледж (геомагн. широта 64°), находящейся очень близко к максимуму зоны сияний, сохраняется, по данным наблюдений, резкое преобладание прихода отражений с севера и нет соответствующего максимума отражений на юге. Какой фактор в расчете Форсита для Колледжа должен подчеркивать эту преимущественность северного магнитного азимута, остается из работы не ясным, и, таким образом, приведенные соображения не снимают полностью вопроса о специфической анизотропной структуре авроральных отражающих образований.

§ 5. ЭЛЕКТРОННАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ Если не считать схемы отражений Чэпмена, устанавливающей связь между «ракурсной чувствительностью» и структурой магнитного поля, на пути физической интерпретации наблюдаемой картины отражений сделано пока очень мало.

Параметром, который наряду с данными о корреляционных связях с другими геофизическими явлениями, представляет наибольший интерес для выяснения сути процессов, является электронная концентрация.

После того как в предыдущих параграфах было дано описание основных характеристик явления, естественно вернуться к вопросу (поставленному в начале статьи) о реальных значениях электронной концентрации в ионизированных образованиях, ответственных за УКВ-отражения в авроральных зонах.

Сложный характер преобладающей части отраженных сигналов (диффузные отражения), увеличенная частота федингов при дальнем ионосферном распространении УКВ через зоны полярных сияний, сильная деполяризация отраженных волн, отмечаемая при авроральных эхо,— все это является свидетельством весьма сложной и изменчивой структуры ионосферы в областях авроральных возмущений. Некогерентный характер отражения отчетливо проявляется во многих характеристиках радиоэха от полярных сияний. Рассеяние на флуктуирующих ионосферных неоднородностях нужно считать поэтому важнейшим элементом механизма рассматриваемых радиоотражений. Вместе с тем этот механизм, по-видимому, не исчерпывается рассеянием на случайных неоднородностях или исчерпывается не во всех случаях. Об этом говорит существование слабо искаженных сигналов в виде дискретных эхо, продолжительность которых бывает иногда достаточно велика. Упорядоченность структуры авроральных ионизированных образований отчетливо проявляется в наличии ракурсной чувствительности отражений. Наконец, существуют отдельные наблюдения (например, вышеупомянутые наблюдения Ануина и Гэдсдена"' с много лепестковой антенной), которые непосредственно свидетельствуют о том, что в определенные моменты времени в отражающей зоне присутствуют протяженные и четко фиксированные слои. Вероятнее 228 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ всего, что в формировании отражений участвуют, накладываясь в различных комбинациях друг на друга, все типы отражений, перечисленные в § 1, в отдельных же случаях может преобладать тот или иной механизм.

Сочетание когерентных и некогерентных отражений делает задачу вычисления значений электронной концентрации весьма не простой.

Проиллюстрируем некоторыми расчетами те результаты, которые получаются при попытках воспользоваться как представлениями о регулярном отражении, так и представлениями о некогерентном рассеянии.

Как уже было указано (§ 1), Ловелл, Клегг и Эллиетт и, первыми наблюдавшие «авроральные» радиоотражения на экране радиолокатора, полагали, что имеют дело с полным отражением от ионизированного облака.

Герлофсон15, оценивая интенсивность наблюдавшихся отраженных сигналов, показал, что предположение о регулярном отражении можно принять лишь при очень малом коэффициенте отражения порядка = = 5 · 10"7, что означает, при несущественной роли поглощения, что отражающее образование почти прозрачно для радиоволн частоты 46 Мгц *).

Электронную концентрацию нетрудно рассчитать, приняв резкой границу отражающей области (френелевское отражение) и показатель преломления мало отличающимся от единицы. Формула Френеля в «ионосферном»

написании имеет вид (В—амплитудный коэффициент отражения) (— электронная концентрация, '/—частота, е, т — заряд и масса электрона). Для электронной концентрации получим при указанном значении величину Nsi 7-10 см'3.

Она оказывается в 2 — 3 раза ниже концентрации в слое в дневное время, что, по-видимому, означает полную неприменимость предположения об отражении на резкой границе раздела. Низкое значение коэффициента отражения, согласно Герлофсону, может являться также результатом нерезкости границы. Нетрудно показать, что при размывании границы коэффициент отражения уменьшится пропорционально множителю

–  –  –

*) Мощность сигнала на входе радиолокационного приемника при отражении от плоской поверхности может быть вычислена по формуле где Рг—принимаемая 2мощность, Р(—излучаемая мощность, Gi—усиление передающей антенны, А = G эффективная площадь приемной антенны, D—расстояние —~ до объекта, — коэффициент отражения. При Рг^50квт, Pr s 1 • 1СГ em, D as Й 500 км, = 6 м для получается примерно указанная цифра.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 229

то, интегрируя, получим

–  –  –

Здесь а и 6 — радиусы кривизны поверхности (, &), а к, в соответствии с (2), равно где Pt — излучаемая мощность, G — усиление антенны локатора.

В случае плоской поверхности раздела Эспинол и Хоукинс получили, как и Герлофсон, электронную концентрацию порядка iV^lO 4 см'3. Но френелевское отражение от цилиндра с радиусами кривизны а= со и Ь=1 км приводит уже к концентрации iV=6-10 s см'й. Существование таких цилиндров или столбов ионизации допустимо с точки зрения оптических наблюдений: поперечник порядка 1 км имеют длинные вертикальные лучи полярных сияний. Эспинол и Хоукинс не рассматривают случай отражения от объединения многих подобных образований (лучи в драпри или лучистой полосе), хотя такой случай должен быть более типичен, если исходить из вероятнейших условий корреляции радиоотражений с визуальной картиной сияний. Но расчет отражения от нерегулярной решетки такого типа, очевидно, содержал бы в себе слишком много произвола, если вообще мог бы принести какую-то пользу.

Хельгрен и Меос в аналогичном расчете отражения от цилиндрической поверхности при частоте 30 Мгц получили для электронной плотности значение 2·10 6 см'&. Дополнительно ими было измерено среднее время флуктуации сигнала. Если эффективный коэффициент рекомбинации в слое во время полярного сияния имеет обычное значение около 1-10~8 смРсекГ1, то время релаксации (—/,, где — коэффициент рекомбинации, N — электронная плотность) оказывается равным примерно 45 сек. Таков же, по Хельгрену и Меосу, и средний период флуктуации отраженного сигнала, что подтверждает, по мнению авторов, правильность их оценки N.

Вычисление среднего коэффициента отражения от некоторой регулярно отражающей поверхности и соответствующего среднего значения 3 УФН, т. LXXIII, вып. 2 230 Б. А БАГАРЯЦКИЙ электронной концентрации производил Сид 7 1 (радиообсерватория в Новой Зеландии). Путем относительной калибровки интенсивности сигналов,, соответствующих разным дальностям, автор пытался выяснить общий характер формы отражающей поверхности. Ослабление, приблизительно соответствующее закону D'2, позволило автору считать, что отражения возникают от некоторой плоскости или совокупности дискретных излучателей, распределенных по плоскости. Формулы, уже приведенные выше, дают при этом для коэффициента отражения значение порядка а средняя электронная концентрация оказывается находящейся в пределах 2,4-Ю4 i V 7,5-10* {см'3). (9) Автор не предполагает, что такая концентрация однородно распределена по большому объему, а считает рассеивающую поверхность состоящей из дискретных когерентно рассеивающих излучателей. Наблюдаемому азимутальному распределению сигналов лучше всего удовлетворяет совокупность цилиндрических излучателей. О размерах и пространственном распределении их автор никаких заключений не делает, так же как и об истинной электронной концентрации в них (не исключается и критическая).

Рассмотрению условий некогерентного отражения (рассеяния) и выяснению параметров рассеивающих неоднородностей посвящен ряд работ,, в основном опубликованных в более позднее время. Возможности оценки значений электронной концентрации на основании непосредственных данных радиоотражений кажутся в этом случае довольно неясными.

Кэйзер 4 1 высказывается в пользу гипотезы о полном (критическом) отражении от неоднородностей, связанных с полярными сияниями, основываясь, например, на следующих соображениях. Во-первых, при гипотезе о частичном отражении значения концентраций, близкие к критическим (ср. 16 · 1 8 ), должны сильно флуктуировать ввиду изменчивости полярных сияний. Разумно было бы ожидать в отдельные моменты резких выбросов интенсивности отражений, чего нет на самом деле. Во-вторых, учет конечного градиента концентрации на границе раздела приводит (при порядка немногих метров) к эффективной толщине пограничного слоя порядка вряд ли более нескольких дециметров. Допустить скольконибудь устойчивое существование таких переходных слоев на высотекм в атмосфере невозможно, ибо такова же и средняя величина свободного пробега молекул на этом уровне.

Трудности получения правильной картины «авроральной» ионизации, по-видимому, тесным образом связаны с близостью характерных пространственных параметров авроральных ионосферных неоднородностей к длинам волн, применяемым для зондирования. Методическим приемом, способным в какой-то мере преодолеть возникающие затруднения и разрешить неопределенность в оценке характера отражений, является параллельное применение нескольких частот. Форсит и Воугэн 83, а затем Коллинз и Форсит 64 сделали попытку воспользоваться этим методом для экспериментальной оценки электронных концентраций в отражающих объемах.

Форсит с сотрудниками использовали три одновременно работавших локатора с частотами 32, 22; 39, 22 и 48, 82 Мгц и идентичными антенными устройствами. Метод работы был двухпозиционный; приемник и передатчик были разнесены на расстояние около 1000 км. Область отражения считалась расположенной вблизи середины траектории луча, на высоте слоя Передача велась немодулированным излучением.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 231

Если через А обозначить амплитуду сигнала на входе приемника, то улавливаемая антенной приемника мощность может быть выражена как где P'r — мощность на всходе при A = i, S — радиолокационное эффективное сечение цели*), % — расстояния от передатчика и от приемника до цели.

При подстановке сюда аппаратурных параметров**) для S получается рабочая формула:

S = 2,5· 10 е • (·· (11) Наблюдавшиеся авторами амплитуды соответствовали значениям эффективных сечений от 2-104 до 4-10 7 м2. При отражении от плоскости это означало бы, что коэффициент отражения имеет величину от 2-Ю" 8 до 10^5. В том случае, если размеры отражателя много меньше зоны Френеля и могут характеризоваться некоторым определенным поперечным сечением (S=const), амплитуда сигнала А будет пропорциональна.

Замечая, что «подобное соотношение часто имеет место, даже когда процесс отражения не может быть отнесен к определенному физическому поперечному сечению», авторы исследуют характер действительной зависимости «приведенной амплитуды» А' = -г-, наблюдаемой при их измерениях, от длины волны.

Теоретическая зависимость А' от для некоторых типов ионосферного отражения и рассеяния известна из оценок, имеющихся в ряде работ:

1. Частичное (френелевское) отражение от плоского слоя, электронная концентрация в котором много меньше критической; граница раздела — резкая (Герлофсон 1 В ). Согласно уравнению (3), коэффициент отражения ~ 4,. е. 2 ~~ 2 ~ и, следовательно, ^4' = ^ ~ 2. (12)

2. Рассеяние на изотропных неоднородностях с малой электронной плотностью (Бейли и др. 7 ). Коэффициент рассеяния пропорционален ( 1 + ТГ ) г Д е « —множитель, зависящий, помимо прочих условии, от угла рассеяния. Так как Л 2 ~-' 2, то при малых углах рассеяния

–  –  –

по всей диаграмме X— Y. В этом случае возможны следующие три варианта:

1) средняя электронная плотность в ионизированных отражающих объемах N больше критической плотности N9 для = 9 м, но меньше Ns для = 8 м; тогда и, следовательно, Y X s ^ l ; экспериментальные точки будут располагаться в области I;

2) аналогично этому, если N Ns, то А'9 о* A't А'я и, следовательно,. X Y s i l ; точки будут располагаться в области //;

3) 7ViV6, т. е. электронная концентрация превосходит критическую для всех трех длин волн. В этом случае $^'$^'§ и, следовательно, Xs^Ys-d; можно ожидать, что все экспериментальные точки будут лежать в области ///.

На диаграмме рис. 25 кружки и крестики соответствуют двум различным периодам наблюдения (08 ч. 30 м.—11ч. 30 м. и 19 ч. 00 м.—23ч.00м.

по Гринвичу, 3 марта 1956 г.). Точки первого периода концентрируются преимущественно в области 77 (Y близко к 1, X разбросаны), точки второго периода — в области / (X близко к 1, разбросаны). В соответствии с авторской интерпретацией мы должны заключить, что электронная плотность в первый период, т. е. в послеполуночные часы местного времени, была больше чем iV g =l,9-10 7 см'3, НО не превосходила Nu~ = 3,0-107 см'3; в послеполуденные часы местного времени (второй период) электронная плотность была, по-видимому, меньше iV8, но превышала значение iV 9 =l,3-10 7 см'3.

Работа Коллинза и Форсита 64 интересна тем, что в ней впервые делается попытка экспериментальной оценки реальных электронных плотностей в ионизированных образованиях полярных сияний. Вместе с тем пример этой работы наглядно демонстрирует сложность проблемы.

В связи с работами Форсита и д р. 6 3 ' 6 4 следует упомянуть, что вопросу о статистических свойствах авроральных ионизированных отражающих образований посвящена опубликованная недавно работа Мак-Намара 75.

Не задаваясь целью исследовать механизм отражения, но интересуясь в основном эффективным размером неоднородностей, Мак-Намара нашел, что статистическому распределению интенсивностей «авроральных» сигналов хорошо соответствуют степенной или экспоненциальный законы распределения вероятности радиолокационных эффективных сечений p(S), а именно:

–  –  –

плотности и др. К возмущенному состоянию полярной ионосферы и объяснению «авроральных» радиоотражений эти расчеты пока приложены не были. Ряд интересных точек зрения по вопросу о физической природе ионосферных неоднородностей в слое и параметрах, которым они должны удовлетворять, чтобы служить эффективными центрами рассеяния дляволнУКВ-диапазона, содержат работы Я. Л. Альперта " и Букера 7 4.

Так как Букер свое исследование специально посвящает вопросу интерпретации авроральных радиоотражений, с учетом анизотропии неоднородностей, мы остановимся на этой работе подробнее.

УКВ-радиоотражения от полярных сияний в общем плане изучения ионосферных неоднородностей представляют специальный интерес. С одной стороны, «авроральные» неоднородности обладают целым рядом особенностей, не свойственных ионосфере других широт; они очевидным образом связаны с геомагнитными возмущениями и корпускулярными вторжениями. Их природа, по всей вероятности, неотделима от природы последних.

Вместе с тем обнаружение аналогии с некоторыми средне- и низкоширотными эффектами заставляет думать, что в определенные периоды времени и в этих широтах существенную роль в жизни ионосферы может играть вторжение корпускулярных потоков в верхнюю атмосферу. В настоящее время весьма очевидно, что наряду с учетом воздействия мощных непостоянных корпускулярных потоков, генерирующих на Земле интенсивные геомагнитные возмущения и другие резко выраженные геофизические эффекты, нельзя пренебречь существованием непрерывно бомбардирующего Землю корпускулярного «фона» 40 ' 55. С ним могут быть связаны, например, ионизация я Е- ж /"-областях во время полярной ночи, свечение ночного неба и т. д. Механизм взаимодействия корпускулярных потоков с магнитным полем Земли и процессы, сопровождающие проникновение корпускул в атмосферу, ясны далеко не полностью. В прежних теориях в первую очередь учитывалась возможность попадания в верхнюю атмосферу Земли корпускул, непосредственно приходящих от Солнца. В результате расширения наших знаний об окружающем Землю космическом пространстве, вопрос может, по-видимому, приобрести иную трактовку. В виде «радиационных поясов» Земля обладает постоянным резервом корпускул, который может во время возмущений становиться очагом корпускулярной бомбардировки верхней атмосферы. Не исключено, что в основные положения теории полярных сияний и магнитных бурь потребуется внесение существенных поправок и изменений; общеизвестно, что в старых теориях противоречий было довольно много. Так, например, серьезные трудности возникали при оценках абсолютных значений и распределения скоростей «авроральных» протонов из наблюдений спектров полярных сияний, по вопросу о глубине проникновения корпускул, их составе и т. д. До сих пор энергия частиц корпускулярных потоков остается довольно неопределенной; согласно различным предположениям, она может заключаться в пределах от 103 до 10 6 эв. Поэтому точка зрения на образование авроральных ионосферных неоднородностей, сводящаяся к тому, что они представляют собой совокупность ионизированных треков вторгающихся корпускул (§ 4), не является наиболее очевидной. Попытка объяснения анизотропии авроральной ионизации как результата влияния турбулентности предпринята Букером, впервые указавшим (совместно с Гордоном ) на возможную роль турбулентности в возникновении ионосферных неоднородностей на уровне слоя и выше.

В магнитном поле ионизованная плазма приобретает свойства анизотропности вследствие ограничения эффективного пробега электронов в поперечном по отношению к магнитному полю направлении. В результате турбулентность также становится анизотропной. Условие для того, чтобы

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

–  –  –

где — коэффициент обратного рассеяния, т. е. рассеяния в пределах углов, близких к 180°, ^ — критическая длина волны при электронной плотности, ( —др j —средний квадрат флуктуации электронной плотности в неоднородностях, — поперечный размер неоднородностей, L — продольный размер неоднородностей, — угол между направлением радиолуча и продольной осью рассеивающей неоднородности, —длина волны

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 237

локатора. Формулу, по своему виду очень близкую к (17), получил независимо и Я. Л. Альперт 7 7.

Интегрирование выражения (17) по предполагаемому объему рассеяния дает возможность Букеру получить оценку значения отраженной энергии. При этом оказывается возможным отдельно судить о продольных размерах неоднородностей, так как вычисления можно провести таким образом, чтобы интегральное выражение содержало множитель, зависящий от L и от угла отражения, который определяет «ракурсную чувствительность». Согласно расчетам Букера 7 4, характерный продольный размер авроральных неоднородностей оказывается порядка 7 м. Поперечный размер неоднородностей, оцениваемый в работе более грубо (на основании предельно наблюдаемой частоты авроральных радиоотражений), оказывается порядка 0,16 м. Отношение (0,16 : 7^2· 10"2) укладывается в предсказываемые теорией Букера (см. рис. 26) значения для высот порядка 110—120 км. Можно было бы считать, что неопределенность как в исходных экспериментальных данных, так и в основах теории настолько велика, что придавать большое значение этому совпадению не следует.

Однако оценки порядка величины неоднородностей более простыми средствами, делаемые некоторыми авторами (Коллинз и Форсит 64 —по исследованию федингов при разнесенных приемниках, Мак-Намара 7 5 иКэйзер 4 1 — на основе учета отклонений от угла зеркального отражения), хотя и отличаются от значений, даваемых Букером, но остаются в пределах того же порядка величин. Я. Л. Альперт 77, анализируя результаты Бейли и др., также оценивает размеры неоднородностей в нижней ионосфере примерно в 5—8 м. По-видимому, вертикальная протяженность авроральных неоднородностей действительно не должна быть больше одного десятка метров, и, в соответствии с этим, средние поперечные размеры неоднородностей оказываются в пределах метра.

Схема Букера остается во многих отношениях открытой для критики.

Так, например, Букер в известной мере произвольно принимает электронную концентрацию в неоднородностях порядка iVs^lO6 CM~S. Учитывая силу отраженного сигнала и вероятные размеры рассеивающей области, он получает для среднего квадрата флуктуации значение ^

-JT- = 10~7ч-10~6. Расчеты Альперта77 условий существенно менее возмущенной ионосферы приводят к значениям, на 2—3 порядка большим.

В качестве пространственной характеристики турбулентности Букер использует автокорреляционную функцию вида

-), (18) где L — масштаб турбулентности, г — расстояние между двумя точками.

Причины выбора именно этой функции специально не оговариваются в статье Букера (см. 7 7 8 3 ). При всем этом большой заслугой автора в деле'интерпретации наблюдений за радиоотражениями от полярных сияний остается попытка перейти от качественных, физически расплывчатых оценок к количественному истолкованию результатов наблюдений. Не исключено, что исходные положения Букера окажутся не вполне верными; возможно, что анизотропию ионизации в полярных областях окажется трудно объяснить только анизотропной турбулентностью. Но существование хотя бы предварительной рабочей гипотезы полезно для стимулирования исследований и выработки в дальнейшем более правильных представлений о специфике явления.

В заключение раздела, посвященного попыткам интерпретации радиолокационных наблюдений полярных сияний, полезно остановиться на 238 Б А БАГАРЯЦКИЙ сопоставлении результатов с некоторыми оптическими данными. Эти последние, давая богатый материал, касающийся процессов возбуждения в полярных сияниях, позволяют в некоторых случаях получить и определенные сведения об ионизации. Надежность и однозначность этих данных находится, конечно, в прямой зависимости от степени корреляции обоих явлений. Как мы уже отмечали, такая корреляция в больших пространственно-временных масштабах несомненна, в деталях— очень ненадежна.

Укажем на две оптические работы, которые относятся к интересующему нас вопросу.

Фотометрирование эмиссии ионизированной молекулы азота в полярных сияниях (первая отрицательная система N |, переход В2 Л—-2) приводит к довольно уверенным оценкам как средней ее интенсивности, так и предельно достигаемых значений, соответствующих очень ярким сияниям. На основании спектроскопических данных Вегарда и Квифта 8 4 Ситон 85 о принимает среднее значение эмиссии фотонов нулевой полосы ( 3914А) этой системы равным 5-Ю 11 фотонов в 1 сек в столбе атмосферы сечением 1 см2. Тогда полная эмиссия фотонов при возбуждении всех полос отрицательной системы NJ должна быть оценена примерно в два раза выше, чем эмиссия 3914, и в пять раз выше, чем эмиссия 4278. Если справедливо, что возбуждение молекул Щ в полярных сияниях происходит непосредственно, в одном акте вместе с ионизацией молекулы 2, то число излучаемых фотонов должно быть не меньше числа возникающих электронов.

Уравнение ^ = (*)-^ (19) может быть использовано для оценки N ·— электронной концентрации (здесь (^) означает число фотонов системы ВЧ\—2, эмитируемых в 1 см3 светящегося объема сияния, пропорциональное числу образующихся там же электронов; а — коэффициент пропорциональности, а р е к — коэффициент рекомбинации). Положив dN/dt=O иа р е к ^10~ 8 см3 сек'1, можно найти N, для чего нужно знать еще и (|). Если () есть полная эмиссия фотонов системы В2П—2 в столбе сечением 1 см2 в 1 сек, то, (20) где I — вертикальная протяженность области свечения. Приняв разумные значения для а и ( 1, 1=1 км), Сштоя получает для электронной плотности значение iV2-10 7 смГя. Результат согласуется с оценками электронной плотности, основанными на предположении о критическом (полном) отражении радарных сигналов.

К прямо противоположному выводу приходит Омхольт. Он использует следующие (не сильно отличающиеся от данных Ситона) фотометрические данные для эмиссии 4278 А, первой отрицательной системы азота:

(2-т-Ю) 10 фотонов в столбе атмосферы сечением 1 см в 1 сек для сияний умеренных и сильных, около 4-Ю фотонов — для сияний наивысшей силы. При одновременных наблюдениях за критической частотой отражений от «аврорального» спорадического слоя Еа и за интенсивностью эмиссии 4278 *, Омхольт получил довольно хорошую корреляцию между ними. Так как интервал критических частот при вертикальном отражении лежал в этих измерениях между 4 и 9 Мгц, Омхольт принимает для 5 5 & «авроральной» ионизации вероятные значения от 2-Ю до 10· 10 см~ и на этом основании отдает предпочтение механизму частичного отражения.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 239

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы рассмотрели экспериментальные данные, получаемые при наблюдениях за радиоотражениями от полярных сияний на частотах УКВ-диапазона, и попытки интерпретации этих данных. Большая часть полученного до настоящего времени наблюдательного материала обеспечивалась применением сравнительно простой радиолокационной техники и методики. С помощью этих средств были выяснены некоторые основные закономерности явления, место и роль его среди других геофизических процессов в высоких широтах. Установление более точных характеристик и физических параметров наталкивается при существующих (вернее, при применяемых) технических средствах на значительные трудности. Очевидная необходимость в получении более точных и более детализированных «ведений заставляет в настоящее время стремиться к применению в этих исследованиях более специализированной методики и более совершенной техники, к увеличению направленности антенн, повышению чувствительности приемников, варьированию размещения передающих и приемных пунктов и т. д.

Как и во всякой другой области физического эксперимента, наблюдения приобретают наибольшую ценность, когда они освещаются достаточно ясной теорией или подходящей рабочей гипотезой. В радиоисследованиях полярных сияний на первых порах при выявлении общих закономерностей роль руководящей теории играла геометрическая схема отражений Чэпмена. В настоящее время при обработке увеличивающегося числа данных ощущается нужда в теории, которая физически истолковывала бы картину отражения радиоволн от областей аномальной, повышенной ионизации в полярных районах. После окончания МГГ круг станций, проводящих исследования радиоотражений от полярных сияний, несколько сократился. Но это может быть скомпенсировано применением на оставшихся станциях новой аппаратуры и более гибкой специализированной методики. Как геофизика, так и практика ионосферной службы в высоких широтах уже извлекли для себя довольно много пользы из этих наблюдений. Их развитие и усовершенствование, вместе с приведением в систему уже накопленных данных, очевидно, должны привести к лучшему пониманию разнообразных и взаимосвязанных процессов, которыми богаты верхние слои атмосферы высоких широт.

примечание при корректуре. Публикация материалов по радионаблюдениям полярных сияний, и в частности результатов, полученных во время МГГ, идет в настоящее время весьма интенсивно. Не имея возможности включить в перечень литературы большинство новых работ, появившихся в печати уже после написания данного обзора, считаем полезным указать на номера журналов J. Geophys. Res. 65, № 8, Aug.

1960 и J. Atmos. Terr. Phys. 19, № 1, Sept. 1960, где опубликованы в общей сложности пять оригинальных работ, относящихся к даннному вопросу. Имеется возможность также познакомиться с обзорной статьей Букера в книге Physics of the Upper Atmosphere, под редакцией Дж. А. Ратклифа (Лондон, 1960). В этой статье заслуживает внимания замечание Букера об изменении характера обратного рассеяния с высотой, вытекающем из некоторых новых наблюдений. Как полагает Букер, возможно, это придется учесть в теории путем дальнейшего уточнения вида автокорреляционной функции. Следует указать, кстати, что в первоначальной теории Букера—Гордона была использована автокорреляционная функция, отличающаяся от гауссовой, которую позже применил Букер. На ошибки, связанные с использованием негауссовой функции, указывает Я. Л. Альперт в статье, ссылки на которую имеются в нашем обзоре.

240 Б. А. БАГАРЯЦКИЙ

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА






Похожие работы:

«Муниципальное образование "КОТЛАС" Собрание депутатов четвёртого созыва Четырнадцатая сессия РЕШЕНИЕ от " 24 " декабря 2009 г. № 84-175-р О бюджете муниципального образования "Котлас" на 2010 год Утвердить бюджет муниципального образования "Котлас" на 2010 год со следующими показателями, характеристиками и положениями: Статья 1....»

«The Papyrus of Ani The Egyptian Book of the Dead ДРЕВНЕЕГИПЕТСКАЯ КНИГА МЕРТВЫХ Слово Устремленного к Свету Составление, перевод, предисловие и комментарии А. К. Шапошникова Поэтические переводы И. Евсы ORPR OnLine Library Copyright © 2004 ORPR Деяние, Мысль и Слово: древнеегипетский погребальный культ и его духовное оформление. Языческое...»

«ІНСТРУКЦІЯ З ЕКСПЛУАТАЦІЇ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕСОРА З ПРЯМИМ ПРИВОДОМ ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА С ПРЯМЫМ ПРИВОДОМ ВК50-2П Шановний покупець! Дякуємо Вам за придбання продукції торгової марки "Дніпро-М". Ця Інст...»

«Дистанционный обмен опытом работы "Зарядка для ума, как средство формирования познавательного интереса обучающихся на учебных занятиях" Муниципальное бюджетное дошкольное образовательное учреждение "Детский сад" Золотой ключик" г. Певек" Эссе и собственные разработки "разм...»

«Коллекция 2014 Для активной охоты SWEDEN | EUROPE Философия Человек наделен уникальной способностью -адаптироваться под любые условия. Мы можем развить в себе силу, гибкость и скорость, но, не смотря на это, охотники, не получили от п...»

«2017-01-12 МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЕ БАЛАНСОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ лесопользователями, лесопромышленными предприятиями, лесничествами и органами управления субъектов РФ Одной из целей разработки методики является...»

«Условия и форматы представления страховыми организациями отчетности по форме 0420152 "Отчет об акционерах (участниках) и иных аффилированных лицах" за 2016 год в форме электронного документа Отчетность по форме 0420152 "Отчет об акционерах (участниках) и и...»

«Национальная библиотека РД им. Р.Гамзатова Отдел редких книг Каталог книжных коллекций Выпуск III Прижизненные издания произведений деятелей русской литературы XIX – первая половина XX вв. Махачкала – 2008 От составителей Отдел редких книг НБ РД продолжает серию "Из книжн...»

«2 1. Цель научных исследований:Целями научно-исследовательской деятельности являются: формирование профессиональных компетенций, необходимых для проведения как самостоятельной научно-исследовательской работы, результатом которой является написание и успешная защита выпускной ква...»

«Ключевые слова: слово, молчание, звук, шум, язык, сознание, советский кинематограф, Алексей Герман-старший Ян Левченко СМЕРТЬ ЯЗЫКА В ФИЛЬМАХ АЛЕКСЕЯ ГЕРМАНА Сознание там, где нет языка. Представляется...»

«Приложение №4 к Условиям открытия и обслуживания расчетного счета Перечень тарифов и услуг, оказываемых клиентам подразделений ПАО Сбербанк на территории г. Салехард (действуют с 01.12.2016) Наименование услуги Стоимость услуги в рублях в иностранной валюте1 РАСЧЕТНО-КАССОВОЕ ОБСЛУЖИ...»

«Руководство пользователя D-500 User Manual Rev_05 Программное обеспечение Firmware V-5.4 D-500 Новейший контроллер генераторных установок Описание Обмен данными D-500 представитель нового поколения контроллеров Ethernet генераторных уст...»

«УДК 621.922 А.Н. УШАКОВ, канд. техн. наук, доц. НТУ "ХПИ" РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННОГО– ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ "АБРАЗИВНОЕ ЗЕРНОСВЯЗКА" В статье выполнен анализ существующих форм абразивных зерен. Разраб отана трехмерная модель напряженного-деформированного состояния в которой связка представле...»

«Содержание Введение Предварительные условия Требования Используемые компоненты Условные обозначения Системное время, пользовательское время, IOWait, мягкий IRQ и IRQ Предупреждения привязки ЦП Идентификация Процесса, который Использован...»

«"Осужден я на каторге чувств." Сценарий вечера, посвященного жизни и творчеству С.Есенина Звучит песня "Мне осталась одна забава" в исполнении А.Малинина. 1-й ведущий. У Сергея Есенина было свое мироощущение, и потому чуткое сердце поэта так неповторимо ведет поэтический диалог...»

«Аксессуары Volkswagen Das Auto. Неограниченное удовольствие от поездки. Аксессуары для Touareg. Движение завораживает. Вряд ли есть еще одна тема, более интересная для людей. Потому что движение это воплощение свободы. Мы в концерне Volkswagen связыва ем оригинальные аксессуары Volkswagen с инн...»

«СЕМИНАР ПО ОБУЧЕНИЮ МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНОВ МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ В СООТВЕТСТВИИ С УКАЗОМ ГЛАВЫ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН ОТ 04.04.2016 ГОДА № УГ-72 21 апреля 2017 года г. Уфа ПРАВИТЕЛЬСТВО РЕСПУБЛИКИ Б...»

«1 Доклад министра социальной защиты населения Рязанской области В.Н.Глонти Основные направления деятельности министерства социальной защиты населения Рязанской области в 2011 году и задачи на 2012 год Основным итогом проведенной в 2011...»

«ведомости, ЕПАРХИЛЬНЫ Я ^холятъ два ри9в въ utcauv va аа Иошвска мрвкпиаетгв въ uriaiii Л 91 Ш ЦЬпа rojoBuHj H iniiiiB пять pj6B Томсавдъ епар"1адкныхг bIuuii Jen tepeOpum. съ пересыдквю. * и**" pjjB, дро Ч'ояг.вой Ce"iiaapia. ГД ОЪ X....»

«1 УТВЕРЖДЕНО Постановление Национального статистического комитета Республики Беларусь 28.03.2016 N 16 ГОСУДАРСТВЕННАЯ СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОТЧЕТНОСТЬ Представление искаженных данных государственной статистической отчетности, несвоевременное представление или непред...»

«R SCP/25/6 PROV. 2 ОРИГИНАЛ: АНГЛИЙСКИЙ ДАТА: 6 ИЮНЯ 2017 Г. Постоянный комитет по патентному праву Двадцать пятая сессия Женева, 12 15 декабря 2016 г.ПРОЕКТ ОТЧЕТА подготовлен Секретариатом ВВЕДЕНИЕ Постоянный комитет по патентному праву (далее — "Комитет" или "...»

«http://cns.miis.edu/nis-excon August/Август 2004 В этом выпуске Дайджест последних событий............ 2 Режимы эмбарго и санкций................... 6 В Узбекистане принят закон об экспо...»

«ФЛЕГМОНЫ КИСТИ Обучающая программа Кафедра общей хирургии © КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИРУРГИИ СГМУ Флегмона это Диффузное пропитывание тканей гноем Скопление гноя в фасциальных футлярах Гнойно-некротическое поражение мягких тканей © КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИРУРГИИ СГМУ НЕТ!© КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИРУРГИИ СГМУ Правильно! Флегмона характеризуется...»

«QVADRA MAX F Чавунний котел для спалювання Cast Ironтвердого палива Firing Boiler for Solid Fuel Installation and User Manual Інструкція з установки та користування Ред. Січ.2012 a...»

«УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО "Зеленый свет" _С.С.Никулин ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ВОДИТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ КАТЕГОРИИ "Д" 2014г. Пояснительная записка Программа профессиональной п...»

«СООБЩЕНИЕ О СУЩЕСТВЕННОМ ФАКТЕ "СВЕДЕНИЯ ОБ ЭТАПАХ ПРОЦЕДУРЫ ЭМИССИИ ЦЕННЫХ БУМАГ" 1. Общие сведения 1.1. Полное фирменное наименование эмитента (для Открытое акционерное общество некоммерческой организации – наименование) "Г...»

«Вестник ПСТГУ I: Богословие. Философия 2013. Вып. 2 (46). С. 34-51 КАППАДОКИЙСКАЯ ТРАДИЦИЯ ПОНИМАНИЯ ТЕРМИНА "ПРИРОДА" И О А Н Н О М ГРАММАТИКОМ С СЕВИРОМ АНТИОХИЙСКИМ В ПОЛЕМИКЕ С. А. КОЖУХОВ В данном ис...»

«Электронный архив УГЛТУ ЛЕСНОЕ И ЛЕСОПАРКОВОЕ ХОЗЯЙСТВО, УПРАВЛЕНИЕ ЛЕСНЫМИ РЕСУРСАМИ УДК 630.231.32: 630.174.754(571.15) Е.М. Ананьев, С.В. Залесов, А.А. Гоф, А.Ю. Толстиков, (E.M....»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.