Ионосферные исследования. Исследования спорадического слоя

Гершман Б.Н., Семенова E.Г. О динамике расплывания искусственных периодических неоднородностей в спорадическом слое Е

Минуллин З. Г. Радиофизическая модель среднеширотногo спорадического слоя Е

Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.B. Модификация глобальной аналитической модели слоя Es в области высотных широт

Двинских Н.И., Чернобровкина Н.А. Региональные эмпирические модели параметров слоя Es

Кутимская М.А., Кулюкский А.В. Моделирование условий тонкого cpcднеширотного слоя Es с коррекцией по экспериментальным данным

II. Влияние слоя Es на распространение радиоволн

Охремчик С.А., Радченко Т.А. Статистическая модель и эспериментальные исследования ионосферногo канала УКВ связи через слой Es
Гyceв В.Д., Жидовленко И.Ю., Приходько Л.И. Статистические свойства радиоволн, рассеянных мелкомасштабными неоднородностями спорадическогo ионосферноro слоя Es

Шерстюков О.Н., Мииуллин Р. Г., Сапаев А.Л., Акчурин А.Д. Heкоторые особенности отражения радиоволн от спорадического слоя Е при вертикальном зондировании

Миркотан С.Ф., Бушулкин Н.И., Захаров В.И. Амплитудный и фазовый коэффициенты отражения и прохождения в области критической частоты тонкого ионосфернoгo слоя

Минуллин Р. Г. Энергетические характеристики сигналов обнаруживаемых в радиоканалах

Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю., Макаров Н.А., Минуллин Р. Г., Портнягин Ю.И., Шерстюков О.Н. Быстрые нисходящие движении спорадическогоo слоя Е под действием полусуточноro прилива

Корсунова Л.Л., Горбунова Т.А. Модовая структура прилива на cpeдних широтах по h'Es-дaнным

Минуллин Р. Г. Назаренко В.И. Слой Es и метеоры

Ясницкий Д.С. Высотновремеиная структура турбулентности верхней мсезосферы -нижней термосфсры по радиометеорным измерениям

IV. Плазменные образовании, подобные слою Es

Курина Л.Е. Численное моделирование процессов неоднородной термодиффузии в плазме ионосфсрногo типа

Костромин А.С., Намазов С.А., Насыров А.М., Романовский Ю.А. Peзультаты радиозондирования искусственных плазменных образований в ионосфере

Курина Л.Е., Марков Г.A. Возмущения ионосферной плазмы, стимулированной радиоразрядом в F-слое ионосферы

V. Радиофизичские методы исследования слоя Еs и сопyтствующих явлений

$Зыков Е.Ю., Минуллин Р. Г., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Автоматическая обработка ионограмм в ионосферном комплексе \$

Колесник A.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М., Шинкевич Б.М. Paдиотехнический комплекс диaгностики и контроля параметров электромагнитнoгo фона в канале Земля-ионосфера

Бородин А.С., Колесник С.А., Побаченко С.В., Потахов П.Ю. Программно-технический комплекс мониторингa естественной динамики функциональнoгo состояния организма человека

Author: Гершман Б.Н. Игнатьев Ю.А.

Tags: геофизика ионосфера

Similar

Физика ионосферы

Солнечно-земная физика. Часть 1

Физика авроральных явлений

Солнечно-земная физика. Часть 2

Text

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПО МЕЖДУНАРОДНЫМ
ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ПРОЕКТАМ

•'j;..
ИОНОСФЕРНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования спорадического слоя Es
№ 50

I. ТЕОРИЯ И МОДЕЛИ СЛОЯ Es
Б.Н.Гершман , Ю.А.Игнатьев
ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СПОРАДИЧЕСКОГО СЛОЯ Е
И ВОЗНИКАЮЩИХ В НЕМ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
Несмотря на неослабевающее внимание к наблюдениям
спорадического слоя Е (слоя Es) и к экспериментальному изучению его
структуры, нельзя говорить об интенсификации в последние годы
исследований по теории формирования слоя и происходящих в нем
процессов. Если проводить сравнение с такого рода исследованиями
в 60-х или 70-х годах, то приходится констатировать наличие спада.
Возможно это связано с тем, что ряд основных положений по
образованию слоя Es (необходимость существования горизонтального ветра
со сдвигом скорости, важная роль ионов металлов при
перераспределении плазмы и др.) получили убедительные подтверждения и в
настоящее время в критическом плане уже не обсуждаются. Тем не
менее целый ряд вопросов, связанных с объяснением свойств слоя
Es, до конца еще не решен. Особенно это относится к неоднородной
структуре слоя Es и связи этой структуры с наблюдаемыми
характеристиками слоя.
Учитывая то обстоятельство, что основные вопросы теории слоя
Es вошли как в обзоры [1], так и монографии [2-4], мы выделим
здесь только часть проблем, которые представляются в достаточной
степени актуальными. В разделе 1 рассмотрим теорию формирования
слоя Es при наличии ионов металлов, С целью уточнения критериев,
которые были приведены при анализе этого вопроса в монографии
[4]. В зависимости от начальной концентрации ионов металлов и
скорости их перераспределения ионосферным ветром могут быть
выделены два случая, существенно отличающиеся друг от друга своими
результатами.
В разделе 2 в теоретическом плане рассмотрим связь между
образованием слоя Es и ионосферной турбулентностью. В разделе 3
обсудим вопросы теории образования в спорадическом слое Es
мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, ориентиро-
ванных в направлении геомагнитного поля tfQ. В последнем разделе
дан краткий обзор работ, рассматривающих вопрос о нагреве средне-
широтного спорадического слоя Е наземным радиоизлучением.
1. О формировании слоя Es при наличии ионов металлов
Анализ в рамках теории ветрового сдвига [1-4]
перераспределения плазмы на высотах области Е при наличии только молекулярных

ионов типа О* и NO+ с очевидностью показал, что из-за высоких
скоростей процесса диссоциативной рекомбинации электронов с этими
ионами формирование тонких слоев Es с величинами электронной
концентрации, существенно превышающими фоновые, невозможно.
Необходимо "участие" ионов, рекомбинирующих с электронами с неизмеримо
меньшими скоростями. Такими ионами могут быть атомарные ионы
металлов (например, ионы Mg+, Ca+, Fe+), которые обнаружены в
области Е и фиксировались непосредственно внутри слоя Es. Идея Уайт-
хеда [5] о первостепенной роли ионов металлов получила развитие в
статьях [6-10]. Она нашла отражение в монографиях [2-4J.
Остановимся на этой теории более подробно. Рассмотрим трех-
компонентную плазму, состоящую из электронов и двух сортов
положительных ионов (молекулярных ионов с индексом 1 и ионов металлов
с индексом 2). Пренебрегая традиционным образом в
квазигидродинамических уравнениях движения заряженных частиц инерционными
слагаемыми [4], имеем
mv N (и -и) = -xT4N -eN E-mcowN [uh], (1)
en e e е е #eteJ'
"i"ii"«<V*> = -хТЩ^^+М^^Ь, (2)
где Ne - концентрация электронов, N и N„ - концентрации ионов,
m, Л/j, Л#2 - массы электрона и ионов, йе, Sfl и %п - их
упорядоченные скорости, а>я - гирочастота электронов, ЙЯ1 и Пя2 - гиро-
частоты ионов, е - абсолютное значение заряда электрона, Е -
внутреннее электрическое поле, препятствующее появлению
некомпенсированного заряда, h - единичный вектор в направлении Я0, и -
скорость нейтрального газа, v , v , v - частоты столкновений
электронов и ионов с нейтральными частицами, х - постоянная
Больцмана. Температуры всех сортов частиц считаем одинаковыми
<Г =Г.=Г).
е j
Уравнения баланса для трех сортов заряженных частиц в
стационарном случае имеют вид
div(tfeSe) = Ie-(arlNn+ar2Ni2)Ne, (4)
<*<*«*«> - V«nV.» (5)
div(iV|a*e) = /,2-«r2iVi2Are, (6)
где введены скорости образования электронов и ионов Де=^л + 'й^
и коэффициенты рекомбинации электронов с каждым из сортов ионов
аг] и агГ К этим уравнениям нужно добавить условие
квазинейтральности

Ne = Nn+Na. (7)
На основе системы уравнений (1)-(7) можно проанализировать
перераспределение электронов и ионов по высоте под влиянием
нейтральных частиц (ветра). Считая ветер горизонтальным, будем
учитывать влияние только наиболее существенной восточно-западной
компоненты v. (z) (ось z направлена вертикально вверх). Полагаем,
что перераспределение происходит вдоль оси z (формально —=—=0).
Эх Эу
Учитывая характерные для области Е неравенства, можно в
соответствии с [4] прийти к следующим связным уравнениям для
концентраций Nn и Nn
XT d ГШп , Nn d
zl dz
d(Ntlu )
M, v., dzl dz N, , +N.. dz
1 tl 2 1 l2
(Nn+Na)]
+ рп8та ii V + Ia-arlWn*Na)Ntl = 0, (8)
M,v.„ dzl dz N..+N..dz il l2 J
2 il i 1 i2
d(N..u)
+ /3.,sina LLJL. + / -e (ЛГ +N.JN., = 0, (9)
ri2 j_ t2 r2 il j2 i2
dz
где /?., = -£-±, /? = —££ и а - угол между вертикалью и полем Я .
11 V г 1 " V 12
Принимая, что первоначальное (в отсутствии ветра и при Е=0)
распределение электронов и ионов приближенно однородно
(неоднородность, обусловленная фотохимическими процессами, играет
второстепенную роль), имеем Iu=arlNmNe0 и Ii2=ar2Ni2oNeO' где ин~
дексом нуль снабжены значения невозмущенных концентраций (до
перераспределения плазмы ветром).
Фоторекомбинация ионов металлов происходит очень медленно,
их характерное время жизни много больше времени перераспределения
плазмы под действием ветра. Поэтому в уравнении (9)
фотохимические процессы не учитываем. Для молекулярных ионов (в данном
случае для простоты рассматривается один такой ион с индексом 1)
7 ^
процесс рекомбинации с коэффициентом а >10~ см /с происходит
быстро (особенно при больших значениях N ), что дает основание
при сгонке плазмы не учитывать перераспределение этих ионов
ионосферным ветром. Одновременно пренебрегаем в (8) и диффузией,
после чего это уравнение с учетом (7) принимает очень простой вид
ril~aтl^il^e=Q, откуда следует равенство Nn^e=^n0Ne0-

Упрощенные уравнения, которые получаются при указанных
пренебрежениях из (8)-(9), легко решаются и мы получаем следующие
соотношения для вычисления высотных профилей электронов и ионов
после перераспределения
*е = /"ш*ео[1+ДЦ- " D J У )] ' (10)
а
/ Г ( Ip.jsin a\udz\-\-\/2
Nn = ^NmNeo[l+R^[- П D J У J] • (Ш
а
/ i 25„sin a\u dz\
Nn = ^NmNeoR^[- t2 D •' V J x
а
[/ 26.,sin afu dz\-1-1/2
1+деХр[--^ i-*—J J . (12)
а
где £> =— - коэффициент амбиполярной диффузии для ионов ме-
" M2V(2
таллов и R - постоянная интегрирования.
При анализе формирования слоя Es часто используют модельное
синусоидальное распределение ветра по высоте, а именно;
и = ил\п{^г\, (13)
где и - амплитуда и А - характерный масштаб ("длина волны")
ветровой структуры. Формирование основного максимума электронной
концентрации будем относить к уровню 2=0.
Если использовать зависимость (13), то из (10)-(12) имеем:
Ч - ^л{1+Дехр[2<5со8(т2)]}'/2' (14)
Nn = S NmNeo{1 +R exP[2<5cos[fz]]У1"' (15)
Ni2 = ^NmNeOR^p[2dCOS[Y Z}] *
x /l+flexpl^cosf J^zllV ', (16)
§ ,s i n alu
где (5= ^ - основной параметр, определяющий эффектив-
2kD
a Я
ность перераспределения плазмы. Подставляя значения P-2=V~ и
2асТ sinaQ u .Ж
D = —, получаем, что <5= у -. Таким образом, в рас-
M2vi2 4лхТ
сматриваемом приближении эффективность перераспределения плазмы

не определяется частотой столкновении v .
Так как для ионов металлов в процессе перераспределения
ионизация и рекомбинация первостепенной роли не играют, то
постоянную интегрирования R можно определить из требования неисчезно-
вения числа ионов в столбе единичного сечения с высотой Л,
которое имеет вид
Д/2
Г
Nn(z)dz = XNm (17)
-Л/2
Далее будем рассматривать формирование тонких слоев с
повышенными по сравнению с фоном значениями электронной концентрации.
В этом случае необходимо выполнение неравенства
<5»1, (18)
которое является одним из основных в теории ветрового сдвига. Это
условие учтем при определении постоянной интегрирования R с
помощью (17). При интегрировании, аналогичном (17), обычно
используется асимптотическое представление модифицированной функции
Бесселя JAS) при 5»1. Можно, однако, прийти к тем же
результатам, используя для входящей в (14) — (16) экспоненциальной функции
приближенное представление
exp[(5cos[^z]l » exp(2c5)expf-^f^).
В этом приближении можно заменить в (17) пределы интегрирования и
проводить его по переменной z от -оо до +ю.
Из-за наличия в выражении (16) радикала проведение
интегрирования в (17) в общем случае невозможно в аналитической форме даже
при использовании неравенства (18). Поэтому приходится
рассматривать два различных случая, предполагая, что R exp 2<5 cos =Д z »
» 1, или используя обратное требование. Смысл этих ограничений
легко выявить после получения выражений для R в явном виде.
Заметим, что в [4] наличие двух таких случаев четко не акцентировано.
Фактически в [4] приведены формулы для первого (более важного)
случая, но об этом ясно не сказано. Необходимость достижения
большей ясности и была причиной, чтобы вновь обратиться здесь к
теории перераспределения ионосферной плазмы с двумя сортами ионов
на высотах области Е.
При R exp 2(3cos[ ^Дг! » 1 можно в соответствии с (16)
принять, что iV.2=v 7V.1()iVe0/R exp (5cos|-5^2 . Тогда из (17)
после приближенного определения значений интеграла

f424f ** ■ °Т~М-2-^> - -У?
получаем
N2
R = l-^-bt6e'2S. (19)
В итоге приходим к распределениям заряженных частиц по высоте в
первом приближении
Ne = Nm2^7tdexp(dfcos(^z)-l\\, (20)
W,2 = "и^ е»К* [C°S ( T Z) " '] I' (22>
Эти распределения, как ясно из (19) и условий их получения, можно
использовать только при выполнении неравенства
2^20 » "**,!•■ (23)
Хотя распределения вида (20)-(22) и неравенство (23) уже
фигурировало ранее [4, 9-10], предлагаемая здесь трактовка условий
применимости (20)-(22) содержит новые моменты.
Как это следует из (21), молекулярные ионы в рассматриваемых
условиях перераспределяются плохо. Внутри слоя с повышенными
величинами Ng и N{2 концентрации N значительно меньше только что
указанных. Критерий (23) как бы соответствует одноионному
приближению, когда при образовании слоев типа Es достаточно
рассматривать только перераспределение ионов металлов и электронов.
Предположим теперь, что R exp 2(5cos I -0. z J « 1. Тогда Na=
=v NilQNeQ R exp 25cos \ -*£■ z . Считая критерий (18) выполненным,
используя условие (17) и выполняя в (17) приближенное
интегрирование таким же способом, как это делалось ранее, находим значение
постоянной R:
N
R = i2° е'2<У5. (24)
У N .,JV .
i 10 еО
При таких R получаем из (14) — (16), если <3»1, приближенные
распределения для заряженных частиц
Ne = *ЧЛ' <25>
"|1-*Чл. (26)

Ni2 ■ ^ V«0 ( TNl2°) '^^Р [2S (C0S ( ¥] Z~ l) ] ■ Ш)
i 1 0 eO
Легко установить, что формулы (25)-(27) справедливы при
ограничении
2*SNm « ^О^еО' <28>
которое является обратным по отношению к (23).
Обращаясь к (25)-(27), мы видим, что в приближении (28)
слабо перераспределяются как электроны, так и молекулярные ионы. Что
же касается ионов металлов, то их концентрации при z ** О много
меньше концентраций Ne или Ni{. Отметим, что в случае (28)
неравенство 7VJ2« NR выполняется, несмотря на сохранение ограничения
(19).
Подводя итоги, нужно иметь ввиду, что в соответствии с
условиями наблюдений слоя Es в первую очередь следует обращаться к
высотным распределениям электронной концентрации N . Показано,
что формирование тонких слоев с повышенными значениями N
возможно только при условии (23). При этом сильно перераспределяются и
ионы металлов, так что внутри слоя N£ * Nir
При условии (28) такие слои формироваться не должны. Мы
видели, что в этом случае не происходит существенного
перераспределения электронов и молекулярных ионов. Отсюда не следует, что
концентрация ионов металлов не претерпевает изменений.
Действительно, из (27) имеем Na=2Na^/ji8 ехр 25 Jcosl -5^ z\ -1J . Вблизи
уровня 2«0 справедливо приближенное соотношение Nа=2-/лд Ni2Q.
При условии (18) здесь N »Ni2Q. Таким образом, в результате
воздействия ветра со сдвигом скорости по высоте значения Л^, и в
случае (28) возрастают по сравнению с начальными. Однако это
возрастание еще недостаточно, чтобы повлечь за собой существенное
перераспределение электронов.
Если зафиксировать значения безразмерного параметра
перераспределения плазмы 5, то можно ввести "пороговые" значения
концентрации ионов металлов до начала их сгонки. В соответствии с (23),
(28) эти значения можно определить равенством
N = / е0 г1°. (29)
т 2nd
При N„n<N... образование слоев с повышенными значениями
электронной концентрации не происходит. Если же ^m>Nm или
особенно N »Nm, то такое образование должно иметь место.
Таким образом, при заданных д существует характерная величина

Nm. Результаты перераспределения плазмы существенным образом
зависят от того, превосходят реальные значения начальной
концентрации Nm эту величину или нет.
2. Гидродинамическая турбулентность в ионосфере и слой Es
Гидродинамическая турбулентность играет важную роль в
динамике ионосферы на уровне турбопаузы и меньших высотах. Анализу
этой турбулентности, возникающим из-за нее неоднородностям
электронной концентрации посвящено много работ, на обсуждение которых
в систематической форме мы здесь претендовать не можем. Некоторые
обобщения, связанные с ионосферной турбулентностью, получили свое
отражение в монографиях [4, 11-12].
Возникает естественная проблема взаимосвязи
гидродинамической турбулентности со спорадическим слоем Es. Здесь мы
остановимся только на некоторых сторонах этой проблемы.
Около 10 лет тому назад в ряде исследований сотрудников
Физико-технического института АН Турк. ССР была выдвинута и начала
интенсивно разрабатываться концепция о связи слоя Es и
турбопаузы, согласно которой слой Es является естественным индикатором
турбопаузы и может использоваться для определения ее высоты и
изучения ее структуры [13-15]. Развиваемые представления
базируются на данных прямых ракетных и наземных наблюдений, в которых
установлено, что для зоны турбопаузы характерно наличие
горизонтальных ветров с сильными сдвигами их скорости по высоте.
Присутствие таких ветров в то же время является одной из основных
причин формирования спорадического слоя Es.
"Методом слоя Es" проведено изучение пространственной
структуры турбопаузы и временных вариаций [14-16]. По этой же методике
получены зависимости высоты турбопаузы от времени суток, сезона и
широты. Установлена связь между изменениями этой высоты и
солнечной активностью, а также некоторыми другими геофизическими
факторами.
Проведенные исследования слоя Es [14-16] интересны также и в
том отношении, что позволили оценить внешний масштаб
турбулентности на уровне турбопаузы и получить сведения о пространственном
спектре турбулентности в архимедовой подобласти (масштабы 1-20 км).
Остановимся теперь кратко на возникновении турбулентности в
присутствии высотного градиента температуры —. В литературе, ка-
сающейся ионосферной гидродинамической турбулентности, этот
вопрос обсуждался мало [19, 11]. Влияние градиента температуры
характеризуется известным числом Ричардсона [20]

.Гэг _ у-1 т]
Щ = -Ь 1= i, (30)
где ^ ~ ускорение свободного падения, Н - высота однородной
атмосферы, у - отношение теплоемкостей идеального газа при постоянном
давлении и постоянном объеме, и - зависящая от высоты г
горизонтальная скорость ветра.
Если — < 2- , то стратифицированная среда оказывается не-
dz у Н
устойчивой и возможно возникновение конвекции. Правда, конвектив-
dT
ная неустойчивость определяется не только градиентом —, но и
dz
другими факторами (например, вязкостью). Положительность чисел Ri
(30) означает наличие стабилизации. При этом в случае Ri>l
возникновение турбулентности невозможно даже при больших числах Рей-
нольдса. На высотах области Е, соответствующих нижней термосфере,
dT
естественно, что — > 0. В связи с этим возникает вопрос о воз-
дг
можности демпфирования ионосферной гидродинамической турбулент-
ности из-за положительности высотного градиента —=-.
dz
При определении числа Ричардсона (30) существенны значения
не только —, но и адиабатического градиента температуры [20]
dz
(Ж1 =2^1 £. Полагая на высотах 110-120 км у=1,4 Я=7-10 км и
\dz)a у Н
Г=230-290 К [21], получаем оценку Щ *(7-9)-10~5 К/см. Со-
3z I a
dT
гласно [21], типичные значения — в указанном интервале высот
dz
составляют около 7-10" К/см. Отсюда следует вывод, что значения
дТ
dz
dz
эг
dz
dT
dz
близки друг к другу. В принципе возможны случаи, когда
и значения Ri отрицательны. Тогда вопрос о стабилиза-
а
ции турбулентности за счет температурной стратификации не
возникает.
В то же время, имея ввиду приближенный характер оценок и
изменчивость состояния атмосферы, нельзя исключить случай относи-
тельно сильных температурных градиентов, когда —=10 К/см.
Эг
Согласно [19] возникновение турбулентности не затруднено и при
Ri>0, если Ri £ 0,25. Чтобы удовлетворить последнему требованию в

тех случаях, когда — * 10 К/см, необходимо существование в
дг
рассматриваемой области горизонтальных ветров, обладающих
достаточно сильными сдвигами скорости. Наличие ветровых сдвигов, как
уже многократно здесь отмечалось, является одним из условий,
необходимых для формирования спорадического слоя Е. Выводы зависят
дт
от того, насколько велика разность — -
дг
дг
При наличии вет-
а
ровых сдвигов с — "»КГ'с"1 превышение над —
в 1,5-2 раза
дг\а >дг
не должно препятствовать возникновению турбулентности. При
наличии развитой мелкомасштабной турбулентности на высотах области Е
возникает необходимость внесения изменений и дополнений в теории
формирования слоя Es (напр., в изложенную в разделе 1 теорию). В
простейшем варианте изменения сводятся к замене коэффициента ам-
биполярной диффузии D на сумму D +DT, где DT - коэффициент
турбулентной диффузии. Коэффициент является известной
полуэмпирической характеристикой турбулентности, используемой при расчете
эффективности турбулентного переноса. Фактически замена D на
Da+ D произведена в одной из наиболее подробных работ,
касающейся влияния турбулентности на формирование слоя Es [19].
Полученные в [19] теоретические результаты совместно с рядом
ионосферных данных дают возможность определения коэффициента DT, что
и делалось в [22-23].
В силу сложности, связанной с формой изложения теории в [19]
и использованием в этой статье нестандартных обозначений, имеет
смысл получить здесь основное соотношение для D из [19], которое
было использовано в [22-23]. При этом будем опираться на
результаты, которые анализировались в разделе 1. В приближении (23),
когда происходит сильное перераспределение плазмы и должен
образоваться тонкий слой Es, используем соотношение (20) для
высотного профиля электронной концентрации. Используя приближенное
представление экспоненциальной функции в подынтегральном
выражении в (20), получаем
". " ^««Pf-35^)' (31)
где JVem - значение Ne в максимуме слоя Es. В (31) введен модифи-
- j3.,sin a-u J
цированный параметр д = — №—, отличающийся от используе-
2я(Ра+ DT)
мого в разделе 1 заменой D на D +£>.
Запишем распределение (31) в виде

Г<Д*)2)'
N = » op-^> <32)
где Kz = ——=— определяет толщину спорадического слоя Es. Можно
определить полное электронное содержание в слое Es N =\ N dz,
где интегрирование по z ведется в пределах слоя. При
использовании (32) можно заменить пределы интегрирования, так что N =
=Ng I ехр I-—Z—Adz. Тогда получаем
Nnnnu = VkN Дг. (33)
полн ет
Из (33) и определения толщины слоя Es имеем N =JV —£».
г поли етг)ттА
Используя определение безразмерного параметра д, получаем
N ЯЯ-s \паи .
£L = -D + -П™5 2—, ^, (34)
Т а Xv . JV2
i 2 em
где в соответствии с разделом 1 D =— 4 Полученное соотношение
' M2Vi2
(34), если учесть высотное распределение скорости ветра (13),
совпадает с формулой для D из [19], которая использовалась при
определении £>т в [22-23]. При наличии развитой турбулентности
£L»D и для нахождения £L нужны сведения о полном электронном
содержании в слое Es максимальных значениях электронной
концентрации N . Необходимы также данные о структуре ветра
(характерная скорость и и масштаб А). Если значения D и D сопоставимы,
то коэффициент D может быть вычислен, поскольку все определяющие
его величины известны.
3. О мелкомасштабных неоднородностях
и градиентно-дрейфовой неустойчивости в слое Е
Градиентно-дрейфовая неустойчивость (ГДН) широко привлекалась
для объяснения природы возникающих в ионосферной плазме неодно-
родностей электронной концентрации как в области Е, так и в
области F. Если говорить о среднеширотном слое Es, то интерес к ГДН
связан с обнаружением в слое мелкомасштабных неоднородностей,
ориентированных вдоль геомагнитного поля ffQ.
В одном из первых сообщений об обнаружении радиолокационными
методами неоднородностей в среднеширотном слое Es с поперечными
по отношению к #0 масштабами около 10 м [24] было указано на ГДН,
как на наиболее вероятную причину появления неоднородностей.
Вклад этой неустойчивости в слое Es должен быть больше, чем в не-

возмущенных условиях, из-за резких вертикальных градиентов
электронной концентрации. Да и горизонтальные градиенты внутри слоя
Es тоже довольно значительны. С позиций ГДН в [26]
интерпретировались полученные в [25] сведения о структуре мелкомасштабных
неоднородностей в слое Es. В более поздней работе, на которую мы
и будем в основном ориентироваться при изложении вопросов
линейной теории [27], содержатся некоторые обобщения и уточнения
теории ГДН в применении к плазме в слое Es.
Будем рассматривать плазму с одним сортом ионов (Q - гиро-
частота ионов, v. - частота столкновений ионов с нейтральными
частицами). Для высот области Е характерно выполнение следующих
неравенств
wl» v2 ; Ql« v2 . (35)
Я en' Я In
Эти неравенства хорошо известны [4, 11]. Они фактически
использовались и в других разделах, но в этом разделе особенно важно их
выписать в явной форме.
Для возбуждения ГДН необходимо одновременно присутствие как
внешнего электрического поля 2? , которое должно иметь значитель-
ную поперечную к Я компоненту, так и градиента электронной кон-
центрации, характеризуемого вектором К = . В скрещенных полях
2?0 и HQ возникает дрейф электронов и ионов со скоростями ug0 и
uiQ. Важно, чтобы эти скорости отличались, т.е. возникал ток с
плотностью j"0=eJV0(«(0-u ).
При выполнении условий (35) возникают благоприятные условия
для появления тока, так как и »и и в первом приближении j =
= -eN^ue0 (в области F ue0^uiQ). Обычно при анализе плазменных
неустой чивостей на высотах области Е регулярным дрейфом ионов
вообще пренебрегают (и -0).
Остановимся на результатах линейного рассмотрения ГДН на
высотах области Е. В квазилокальном приближении, полагая, что все
возмущения зависят от времени t и радиуса вектора г по закону
exp (iwt-ikr) [(со=со-гу, где со вещественная частота и у - инкремент
(при у>0)], можно при использовании электростатического подхода
прийти к следующим результатам [27] для со и у:
~ ки . ,
со = е-^-, (36)
1+V
Mv. v
где tp=de ^у'-"; de=cos в+ —|-^, в - угол между волновым вектором и
соя
геомагнитным полем Н . Считаем, что вектор к направлен по оси г'.

Для инкремента у имеем
+ ^P *0г, + cos в cos | tf0] -2*2t;jj, (37)
где | - угол между векторами К^ и Я0, и - средняя тепловая
скорость ионов (vT.=v -jj£- ). Предполагается, что вектор Я лежит в
плоскости у'г'.
Соотношение (36) хорошо известно. Оно совпадает с полученным
в целом ряде работ (см. монографии [4, И]). Соотношение (37)
несколько отличается от полученных в [4, 26], что связано с отказом
в [27] от выполнения требования строгой нейтральности для
электростатических возмущений в плазме. Различие заключается в том,
что в (37) перед первой круглой скобкой стоит множитель и „
тогда как в аналогичных формулах из [4,26] фигурирует множитель
со/А. Если обратиться к (36), то видно, что скорость и^ , больше
~ 2 V V •
w/k на величину (1+V)- При cos 0=0 гр = ———— = 0,1 различие,
связанное с уточнением в [27] "старых" формул, малосущественно.
, v2
Если же cos б»—f-2-, разница более существенна. Но в этих случаях
"и
всегда нужно иметь в виду, что возбуждение ГДН возможно только
при cos20« 1 (для вытянутых вдоль геомагнитного поля Я неодно-
родностей).
При применении полученных результатов к среднеширотному
спорадическому слою Е нужно учитывать, что наиболее резкие градиенты
возникают в вертикальном направлении (по оси z). На основе пер-
v2
вого из неравенств (35) пренебрежем в (37) малым членом —р#0 ,.
Эффективное возбуждение неоднородностей возможно только при
cos26«1 (тогда можно принять sin 0^1). В этом случае условие
возникновения неустойчивости (у>0) принимает вид
V."' ( 5f **?+ cos в cos * *о) *W * 2*Чг <38)
Равенство на границе устойчивости в (38) дает критические
значения скорости дрейфа электронов ueQ k (скорости дрейфа ионов в
области Е пренебрежимо малы). Для возникновения неустойчивости
необходимо, чтобы ие0г'>иеоь,> где

т
еО.кр V .
t 71
2k2vl. (v л-l
i de (lis- Я01.+ cos б cos £*„] " . (39)
Оценки значений ueo;fc приведены в [27]. Значения ие0 кр
(39) резко увеличиваются при отклонении угла 9 от 90 .
Естественно, что скорости и зависят от масштаба возникающих
ионосферных неоднородностей А = 2п/к и от связанного с наличием слоя Es
(dNo\ ~l
характерного вертикального масштаба b=NQ . На высоте ПО км
при А=50 м скорости У-й0к порядка 10-20 м/с. Такие небольшие
значения критических скоростей свидетельствуют о том, что
механизм ГДН в применении к возникновению вытянутых неоднородностей в
слое Es является весьма правдоподобным.
В заключение этого раздела заметим, что в работе [28]
развита для квазистационарного режима теория нелинейной ГДН в условиях
среднеширотной области Е. Анализ опирается на известные подходы,
которые позволяют получить поперечные по отношению к HQ
пространственные спектры неоднородностей, и которые ранее были
применены для ГДН в зоне экваториальной токовой струи. Нелинейное
исследование в существенной мере опирается на результаты линейного
рассмотрения. Основным требованием к линейной теории является
обеспечение достаточно сильного нарастания неоднородностей с
большими масштабами А.
4. Теоретическая модель влияния нагрева
мощным радиоизлучением на среднеширотный слой Es
Одной из характерных особенностей ионосферной плазмы
является нелинейность процессов в электрических полях, создаваемых
мощными передатчиками коротковолнового диапазона. Одной из причин
нелинейности является то, что длина свободного пробега в
ионосферной плазме достаточно велика и электроны могут получить от
поля большую энергию. А вследствие малости отношения тп/М передача
энергии от электронов к ионам или нейтральным частицам при каждом
акте столкновений невелика. Все это приводит к нагреву
электронной концентрации и появлению зависимости от напряженности
электрического поля диэлектрической проницаемости плазмы. Увеличение
температуры электронов ионосферы под действием мощного
радиоизлучения вызывает увеличение электронной концентрации N на высотах
до 180-200 км из-за изменения баланса ионизации и уменьшение N
выше 200 км из-за выталкивания плазмы из области нагрева [29-31].
На высотах области Е эффективный коэффициент рекомбинации а
уменьшается с ростом электронной температуры, обозначаемой в этом

разделе Ге, что сопровождается ростом относительных значений
ANe/Ng. Для приближенной оценки изменений электронной
концентрации при нагреве можно воспользоваться соотношением
AN , ДГ
1*1, £ (40)
N „ 2 Г п
е 0 е О
где Гв0 и JVe0 - температура и концентрация электронов до нагрева
(Ге=Ге0+ДТе и Ne=NeQ+&Ne). Принимается, что а^а^Т^Т^У1, где
17=0,5 при Г < 1000 К. Соотношение (40) справедливо при слабом
нагреве, когда ДГе « Т&0 и | AN I « NeQ.
Расчеты [32] показывают, что при нагреве электронов до
ДГе/Те0=0,33 электронная концентрация в области Е увеличивается
на 7%, а при ATe/TeQ=l - на 17%. Если не учитывать процесс
теплопроводности, то справедлива следующая приближенная связь
&Те/Те0*(Е0/Е )2, где 2?0 - амплитуда электрического поля мощной
волны на исследуемой высоте h км и Е - характерное плазменное
поле. При определении Е0 и мВ/м можно использовать формулу Е =
=300VPG/h, где Р - мощность нагревного передатчика в кВт, G -
коэффициент направленного действия антенны (по отношению к
"ненаправленному" излучателю). Указанная выше связь между ДГ и EQ
справедлива до значений EQ^E [31].
Вертикальные размеры возникающей в области Е зоны возмущения
при отражении мощных радиоволн от этой области малы и составляют
1^=100—300 м [31]. При работе нагревного передатчика на частотах
/ выше критической частоты области Е f E происходит нагрев
плазмы во всем слое Е и вертикальный масштаб возмущенной зоны может
составлять 20-40 км. Горизонтальные размеры области возмущения
(ОВ) в слое Е определяются угловой шириной диаграммы
направленности антенны передатчика.
Впервые эффект нагрева плазмы слоя Е мощными радиоволнами с
частотой / =4,6 МГц (fa>fQE) был обнаружен в
Научно-исследовательском радиофизическом институте (г.Горький) по измерению
действующей высоты отражения пробных радиоволн [33-34]. Показано,
что при PG=15 МВт отношения AN /N достигали значений в
несколько процентов. Далее методом допплеровского [35-36] и импульсного
наклонного зондирования [37-38] было определено, что при нагреве
слоя Е радиоизлучением с эффективной мощностью до 100 МВт
происходило увеличение электронной концентрации до 20 %.
Вопросы нагрева спорадического слоя Es и искусственного
изменения его параметров несомненно представляют интерес с разных
точек зрения. Если бы слой Es содержал только молекулярные ионы
О* и NO*, что с оговорками имеет какой-то смысл в ночных уело-

виях, то нагрев плазмы должен привести к увеличению в нем
электронной концентрации за счет уменьшения коэффициента
диссоциативной рекомбинации ат (как и в отсутствии слоя Es). В работе [39]
сообщалось об изменении параметров слоя Es при воздействии на
ионосферную плазму импульсным излучением на частоте / =1,35 МГц.
Было зафиксировано возрастание предельной частоты fQEs и
вероятности появления PEs, что связывалось с нарушением баланса
ионизации на уровне слоя Е.
Другая ситуация складывается при нагреве мощным
радиоизлучением интенсивного спорадического слоя, который может
сформироваться только при наличии долгоживущих ионов металлов (см. раздел
1). Для этих ионов доминирующими являются не фотохимические
процессы, а амбиполярная диффузия. В этом случае нагрев плазмы в
поле мощной радиоволны (Г >Те0) приводит к увеличению коэффициента
амбиполярной концентрации в слое Es [32, 40]. Обсудим сказанное
более подробно, полагая Г0=Г 0=2\0.
Эффекты воздействия мощного радиоизлучения на слой Es можно
рассмотреть в рамках идеализированной модели однородного нагрева
электронного газа до температуры Т >Т0 (без учета процесса
термодиффузии). Эта модель достаточно хорошо отражает реальную
ситуацию нагрева, когда fB>ftEs, где fJEs - частота экранирования слоя
Es. Как показывают расчеты [32], первое из неравенств (35),
которое выполняется с большим запасом, при нагреве не теряет своего
значения.
Пусть выполнены условия, позволяющие использовать
соотношения (20)-(22). Из них для уровня 2=0, где максимальны
концентрации электронов и ионов металлов, имеем
„ = ^vu (42)
Nnm - "«^ <43>
где при учете нагрева для параметра <5 используем соотношение
д=ШгПн2и0Х5\па)/(2лх(Те+Т0)) (турбулентная диффузия не
учитывается; предполагается, что либо слой Es формируется достаточно
высоко, либо нагрев происходит в отсутствии турбулентности).
Значения концентраций регулярной области Е при юздействии мощных
радиоволн определяются по формулам, аналогичным (40) (см. [32,
40]). Ширина спорадического слоя Е в соответствии с (32)
определяется соотношением
&z m l/biVS . (44)

Определение Кг (44) отличается от использованного в разделе 3 на
фактор V2.
Анализ представленных выражений позволяет сделать вывод о
том, что при нагреве плазмы в хорошо выраженных слоях Es должно
проявляться уменьшение максимальной электронной концентрации и
увеличение ширины слоя. Расчеты показывают, что при нагреве
электронов до Г /Г0=1,33 значения N в слое Е уменьшаются примерно
на 10 %, а при Те/Т0~2 - примерно на 18 %. При выполнении условия
(23) можно получить зависимость от температуры для отношения
значений N после нагрева и до нагрева [32]
ЛГ (Г >TJ
стп е 0 _
N (Г = ГП)
em e О
1+ге/г0
(45)
из которого следует указанный ранее вывод об уменьшении N после
нагрева.
После внесения изменений, связанных с учетом зависимости от
электронной температуры, можно обобщить уравнения типа (8)-(9).
Это было сделано в [40], где учтены нестационарность процессов,
вклад не только зонального, но и меридионального ветра, а также
зависимость коэффициента рекомбинации ат{ от температуры («г1 =
=аН0(Г0/Ге)1/2 при Те<1000 К и атГагЮ(Т0/т//2 при Т>
> 1000 К). После этих обобщений решение системы уравнений возможно
только численными методами. При естественном выборе граничных и
начальных условий были выбраны значения ионосферных параметров,
характерных для формирования днем среднеширотного слоя Es
(подробнее см.[40]). Из расчетов в отсутствии нагрева вытекала
возможность образования стационарного слоя Es на высоте ПО км с
N =6,09x10 см" и полутолщиной Дг (на уровне 0,5 от N ) йг=
=350 м. В таблице приведены расчетные значения N& и Az при
разных степенях нагрева.
Таблица
Расчетные значения N и Дг при разных степенях нагрева
е 0
N-105, см"3
Дг, м
1
6,09
350
1,33
5,1
450
1,66
4,5
550
2
4
650
3,33
3,3
1300

Из таблицы видно, что при нагреве электронов плазмы
уменьшается электронная концентрация в образуемом слое Es, а толщина
слоя увеличивается.
Ь, КМ

ичиг
110
108
106
_
Л
[А
(
I I I
Те1Т0*1
Те/То=2
^) :zr>
i i i i
3^56
-5 „..-3
Л/е-Ю"0, см
Рис. 1. Высотные профили N для случаев
г г
54-1 и^ = 2
о о
На рис.1 приведены высотные профили N для случаев Т /Т =1
и Г /Г =2. Видно, что при нагреве электронной компоненты до Г =
=600 К формируется слой Es с Nem на 35% меньшей Nem до нагрева
(расчеты проведены при одних и тех же параметрах ветровой
структуры). В то же время в "регулярной" части области Е при Te/TQ=2
электронная концентрация повышается на 17% (из-за уменьшения
эффективного коэффициента рекомбинации молекулярных ионов).

Abstract
The review is given of some studies of the theory of forming
a mid-latitude sporadic E layer and its inhomogeneous structure.
Theoretical issues of the Es layer formation with simultaneous
availability of the both molecular ions and metal ones are
discussed as well as a theory of the origin in the Es layer of small-
scale inhomogeneities oriented toward a geomagnetic field. The
models of heating the Es layer with surface radioemission and the
relationship between Es layer formation and ionospheric
turbulence are discussed.
Список литературы
1. Whitehead J.D. Production and prediction of sporadic E //
Rev. of Geophys. and Space Phys. 1970. Vol.8. №1. P.65-144.
2. Чавдаров С, Часовитин Ю.Н., Чернышева СП., Шефтель В.М.
Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. М.: Наука, 1975.
105 с.
3. Часовитин Ю.Н., Нестеров В.П. Динамические процессы и
формирование ночной области Е ионосферы (Труды ИЭМ) М.: Гидроме-
теоиздат, 1975. 143 с.
4. Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы
образования ионосферного спорадического слоя Е на различных
широтах. М.: Наука, 1976. 107 с.
5. Whitehead J.D. Mixtures of ions in the wind-shear theory
of sporadic E // Radio Sci. 1966. Vol.1. №2. P. 198-202.
6. Cuchet L. Etude de la formation des couches E- sporadic
dans une ionosphere a composition ionique complex suivant la the-
orie des cisalliment de vent //. Ann. geophys. 1965. Vol.21. №4.
P.477-481.
7. Cuchet L. Role of complex ionic composition in the wind-
shear theory of sporadic layer // Radio Sci. 1966. Vol.1. №9.
P.1101-1107.
8. Игнатьев Ю.А., Нестеров В.П., Часовитин Ю.Н. Об
образовании среднеширотного слоя Es под действием ветрового сдвига с
учетом двух сортов ионов // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т.12.
№5. С.843-848.
9. Игнатьев Ю.А., Лисина Н.И. О роли металлических ионов в
образовании слоя Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т.12. №5.
С.756-758.

10. Игнатьев Ю.А., Кротова З.Н., Нестеров В.П., Часовитин
Ю.Н. Характер перераспределения заряженных частиц в ночной
области Е на средних широтах // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16.
№8. С.1164-1171.
11. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука,
1974. 256 с.
12. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Г., Жолковская Л.В. Динамические
модели свободной атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 293 с.
13. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Бакалдина В.Д. Турбо-
пауза как специфическая область верхней атмосферы. Ч. 1-2 // Изв.
АН Турки. ССР. сер. физ-техн., хим. и геол. наук. 1977. №74.
С.38-43; С.42-47.
14. Овезгельдыев О.Г., Караджаев Ю. Динамическая структура
турбопаузы // Изв. АН Туркм. ССР. сер. физ-техн., хим. и геол.
наук. 1982. №4. С. 23-26.
15. Караджаев Ю. Пространственно-временные вариации коротко-
периодических колебаний турбопаузы // Изв. АН Туркм. ССР. сер.
физ-техн., хим. и геол.наук. 1983. №2. С.94-95.
16. Ovesgeldyev O.G., Korsunova L.P., Karadjaev J. Space and
time variations and turbulence dynamic structure. Handbook MAP.
Vol.10. Urbana, Illinois. P.183-187.
17. Корсунова Л.П., Горбунова Т.А., Бакалдина В.Д. Вариации
высоты спорадического слоя Е в цикле солнечной активности //
Геомагнетизм и аэрономия. 1983. Т.23. №2. С.313-315.
18. Korsunova L.P., Gorbunova Т. A., Bakaldina V.D. Variations
of Es parameters in different geophysical conditions // Acta Geod.
Geophys. Mont. Hung. 1987. Vol.22. №1-2. P.183-190.
19. Chimonas G. Turbulence diffusion as a controlling factor
in sporadic E // J. Atmos. Terr. Phys. 1974. Vol.36. №2. P.235-
242.
20. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Ч.1.
M.: Наука, 1965. 640 с.
21. Фаткуллин М.Н., Зеленова Т.И., Козлов В.К., Легенька
А.Д., Соболева Т.Н. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы.
М.: Наука, 1981. 256 с.
22. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Горбунова Т.А.
Определение коэффициента турбулентной диффузии из ионосферных данных
// Изв. АН Туркм. ССР. сер. физ-техн., хим. и геол. наук. 1978.
№3. С.42-45.
23. Корсунова Л.П., Овезгельдыев О.Г. Некоторые результаты
изучения турбулентности в среднеширотной зоне по ионосферным
данным // Тезисы докладов 4-го Всесоюзного совещания по исследованию

динамических процессов в верхней атмосфере. Обнинск, 1982. С. 130-
133.
24. Ecklund W.L., Carter D.A., Balsley В.В. Gradient drift
irregularities in mid-latitude sporadic E // J. Geophys. Res.
Vol.86. №2. P.856-862.
25. Tanaka Т., Venkaleswaran S.V. Characteristic of field-
aligned irregularities over Iioka Japan // J. Atmosph. Terr. Phys
1983. Vol.44. №5. P.381-394; P.395-406.
26. Tanaka Т., Venkateswaran S.V. On perpendicular
propagation of irregularities in middle-latitude Es layer // J. Geophys.
Res. 1983. Vol.88. № AS. P.4067-4073.
27. Гершман Б.Н., Понятое Л.А. О градиентно-дрейфовой
неустойчивости в среднеширотном спорадическом слое Е // Изв. вузов.
Радиофизика. 1987. Т.ЗО. №6. С.711-719.
28. Понятое Л.А. О спектре градиентно-дрейфовой
неустойчивости в среди еш и ротной области Е ионосферы // Геомагнетизм и
аэрономия. 1988. Т.28. №1. С.33-39.
29. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в
плазме. М.: Наука, 1960. 683 с.
30. Гинзбург В.Л., Гуревич А.В. Нелинейные явления в плазме
// Успехи физич. наук. 1960. Т.70. №2. С.202-226.
31. Гуревич А.В., Швацбург А.Б. Нелинейная теория
распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. 272 с.
32. Игнатьев Ю.А. Влияние на спорадический слой Е нагрева
ионосферы мощным радиоизлучением // Изв. вузов. Радиофизика,
1975. Т.18. №9. С.1365-1369.
33. Бенедиктов В. А., Гетманцев Г.Г., Зюзин В. А., Игнатьев
Ю.А. Нагрев Е области ионосферы мощным коротковолновым
радиоизлучением // Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т.20. №5. С.955-956.
34. Бенедиктов В.А., Зюзин В.А., Игнатьев Ю.А.
Экспериментальные исследования нагрева ионосферной плазмы области Е мощными
радиоволнами // Тезисы докладов 13-ой Всесоюзной конференции по
распространению радиоволн. 4.1. Горький: Наука, 1981. С.139-140.
35. Бойко Г.Н., Васьков В.В., Голян С.Ф. и др. Искусственная
дефокусирующая линза в ионосфере // Письма в ЖЭТФ. 1984. Т.39.
№11. С.533-536.
36. Бойко Г.Н., Васьков В.В., Гуревич А.В. и др. Исследование
дефокусировки радиоволн в ионосфере при воздействии мощного
радиоизлучения // Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т.28. № 8. С.960-
971.
37. Бенедиктов В.А., Гончаров Н.П., Игнатьев Ю.А. и др.
Экспериментальные результаты исследования параметров искусственной

области возмущения верхней и нижней ионосферы методом
вертикального зондирования // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т.27. № I.
С.12-17.
38. Иванов В.А., Игнатьев Ю.А., Матюгин С.Н. и др.
Исследование особенностей нагрева ионосферы на высотах 100-200 км
методом наклонного зондирования // Тезисы 14-ой Всесоюзной
конференции по распространению радиоволн. М.: Наука, 1984. С.120-121.
39. Гуревич А.В., Шлюгер И.С. Исследование нелинейных явлений
при распространении мощного радиоимпульса в нижних слоях
ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т.18. №9. С.1237-1260.
40. Игнатьев Ю.А., Кротова З.Н. О воздействии мощных
радиоволн на образование среднеширотного слоя Es // Геомагнетизм и
аэрономия. 1976. Т.16. №4. С.638-641.
.«о
..Л.:,. ИМ"-'
■я.:Ч\г ':*..:■■ ■■:<. ■
.0.
' К.1 .а-
■ u ■,i;',',"X-'..
у* ■;■:■■> if;--::;-
• ^ _' . i>:
.V'i.СЖ ;..
Н',
*.'..''•. :■< "r,i.
.'■' o.v-
■- :•. г.:Х,
■ Mi:;i. \!"«
•' Ух'':'i
.;^л;. .-
№■:;:*£
1 K-!..i
Щ&-^.
->■ -ф ц Ах.-.. i»«av.'iv'\ :,:о 3.; •■ <••.-•: '• , Л
' ..К.'¥1--с>:»*па»'.гЛ>\ ;Лч."- .v.№ay»v,' ,Л..<л '-.■■:■■ :i

Б.Н.Гершман /Е.Г.Семёнова
О ДИНАМИКЕ РАСПЛЫВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ
ПЕРИОДИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
В СПОРАДИЧЕСКОМ СЛОЕ Е
В последние 10 лет была разработана методика диагностики
ионосферы с использованием периодических неоднородностей
электронной концентрации, возникающих под действием мощного наземного
радиоизлучения [1]. Впервые такие неоднородности (решетки) были
исследованы в г.Горьком сотрудниками Научно-исследовательского
радиофизического института [2, 3]. Неоднородности создавались в
поле стоячей волны, образующейся при отражении радиоволн,
падающих на ионосферу в вертикальном направлении. Регистрация
неоднородностей на высотах 70-300 км производилась с помощью пробных
радиоволн. Она облегчалась тем, что рассеяние от решеток было
когерентным и обеспечивалось выполнение условий Брэгга.
При отключении источника (радиопередатчика) интенсивность
радиоотражений спадает из-за релаксации или искажений структуры
решетки. Характерные времена зависят от высоты, составляя от
десятков миллисекунд до десятков секунд. Несомненно, что на разных
ионосферных уровнях уменьшение интенсивности отражений
обусловлено различными физическими процессами.
Ниже мы дадим оценку времени спада интенсивности
радиоотражений на высотах области Е из-за наличия ветровых сдвигов, с
которыми связывают формирование ионосферного спорадического слоя Е
(слоя Es). Поэтому последующее рассмотрение характеризует
исчезновение радиоотражений от решеток в слое Es.
При наблюдениях решеток фиксируются абсолютные значения
коэффициента отражения R. Обратимся к формуле для \R\ при
вертикальном падении на слой с электронной концентрацией N(z) при
а<г<Ь (ось z направлена вертикально вверх). При |JR|«1, что
выполняется в интересующих нас случаях, имеем [4, 5]
|д| = I|jVl^exp["-2tf J2n(z')dz'l(fz|, (l)
где тг - показатель преломления, w - циклическая частота и с -
скорость света в вакууме. Выбор уровня z при определении |Д| (1)
не имеет значения.
Распределение электронной концентрации N{(z) для
периодической неоднородности в начальный момент времени £=0 зададим в виде

Nx(z) = NlQcosxz, (2)
где х=2л/1 (1 - масштаб решетки). Отклонения N от фонового
значения электронной концентрации NQ (| Nl I «NQ) поддерживаются при
*<0 за счет мощного радиоизлучения. При отключении передатчика
(*>0) начинает изменяться амплитуда неоднородности и ее
структура.
На высотах области Е существенно влияние ветровых движений
нейтрального газа (включая турбулентность ниже турбопаузы).
Остановимся на простой модели перераспределения плазмы, в первом
приближении, правильно отражающей вклад наиболее существенных
процессов [6]. Для заряженных частиц возьмем за основу движение
ионной компоненты, принимая, что электроны перемещаются вместе с
ионами. Тогда можно не вводить внутреннее поляризационное поле Е.
Следуя [6], напишем уравнение для скорости ионов 5t в характерных
для области Е условиях
Ven' QH«Vin> <3)
где й)„ и Я„ - гирочастоты электронов и ионов, v и v. - частоты
столкновений электронов и ионов с нейтральными частицами. При Е=0
и без учета влияния внешних электрических полей имеем
5, В$+5Г-[5У-Д—, (4)
1 vin " ° N
где hQ-H0/HQ (#0 - геомагнитное поле), %п - скорость нейтрального
газа, D - коэффициент амбиполярной диффузии, для которого можно
*_(Г+Т.)
использовать соотношение D = — — (Г и Г - температуры
Mv, e '
i n
электронов и ионов, Д:Б - постоянная Больцмана и М - масса иона).
Приравнивая в силу квазинейтральности плазмы концентрации
электронов и ионов (N =N.=N) и пренебрегая фотохимическими
процессами, имеем уравнение непрерывности для ионов
^- + d\vN% = 0. (5)
at *
Далее не учитываем перенос плазмы как целого, поскольку он слабо
сказывается на величине \R\. Оставим только наиболее существенную
для перераспределения плазмы горизонтальную компоненту и =и
(ось у перпендикулярна HQ). При учете указанных упрощений из (4),
(5) получаем [б]
ям dNu.. ■>
52- = В.sin х * ~ DV2N = 0, (6)
где /*|=^я/у1п» % ~ Угол между осью z и HQ (в северном полушарии
угол х является тупым).

При анализе динамики решеток в области Е влияние сильных
ветровых движений и турбулентности проявляется сильнее, чем
влияние диффузии. Считая, что такие ветры присутствуют, пренебрежем
диффузионным расплыванием (в случае необходимости время этого
расплывания легко оценить).
Выберем простой профиль ветра
и = и. ?. (7)
у уо i
При 17=0, sin#<0 и замене в (6) N на N{ из (б), (7) получаем
распределение
N^zJ) = АГ10ехр[-Ь4Ф_|со8Гх(2-20)ехрГ-^!*-]+«01, (8)
удовлетворяющее естественному требованию, что N,-N. cos xz при
t=0 (см. (2)).
В формуле (8) содержится величина с размерностью скорости
и ,=/?£ | sin # | и . Естественно ввести длительность
х - "«W (9)
характеризующую перераспределение плазмы из-за наличия ветрового
сдвига. При изменении направления горизонтального ветра величина
L в (7) может быть как положительной, так и отрицательной. При
КО г<0 и фактор ехр(--) в (8) определяет нарастание во времени.
Это может привести к нарушению использованного ранее условия
I iVj I «NQ. Однако реально никаких осложнений не возникает, так
как время | г | составляет десятки минут. При наблюдении
радиоотражений от решеток при t>0 такие времена интереса не представляют.
Нужно рассматривать только случай t« | г |, когда знак т
малосущественен.
При использовании формулы (1) нужно учесть, что при
наблюдениях выполняется условие Брэгга, которое для рассматриваемой
задачи при обратном рассеянии имеет вид х = -^п. Принимая п =1-
- (е и т - заряд и масса электрона) и считая фоновую концен-
тт dn 2 же2 d/Vi
трацию N не зависящей от z, имеем — = г • С Учетом сДе~
dz mm n dz
ланных замечаний приходим к соотношению
1Я1
Jfexp f - Щ / " " " ~
= — -i—-/l-cos{x|b-o|[exp[-4]-l])-, (10)
2 I expf- =-1-1
в котором K=ne2N1Q/mco2n2. Обращает на себя внимание тот факт, что
в формулу (10) не входит высота zQ> определяющая уровень, где

скорость горизонтального ветра меняет свое направление.
Учитывая изменения |Д| со временем t (при t>0 мы, как
указывалось ранее, вынуждены принять, что *« |г|), из (10) имеем
|д| = К!-,/ l-cos[z|fc-a|i]. (11)
V2t x
Введем время t , определяющее влияние искажений решетки на
интенсивность радиоотражений
tn = 1т1 . (12)
0 х|Ь-о|
При f«t0 из (11) получаем | R | = IRQI =Kx\b~a\t так что
зависимость |Д1 от t не проявляется. Представив соотношение (11) в виде
t
\R\ — 21 it. |
sin —
It
Л (13)
t
отметим наличие в (13) уменьшающегося с ростом t отношения t /t.
о'
то при 0<t<Jtt он с ростом t
Что касается фактора .,..._ , *~ ..^.. ~ 0
*о
увеличивается, а при 7it0<t<2xtQ - спадает и т.д. (при г=2л*0|.Д| =
=0). Наличие осциллирующего фактора не меняет вывода об
уменьшении интенсивности радиоотражений при t»tQ, Для рассматриваемого
механизма роль характерного времени играет <0 (12).
Зафиксировать значения <0 при учете зависимости от | г |,
обратного масштаба неоднородности эе и перепада высот \Ь-а\, в
котором формируется отражение от решетки, довольно
затруднительно. При сильных ветровых движениях со сдвигом скорости можно
принять |г|«600 с [6]. Считая \Ь-а\^5 км и эе=10"3 см"1, что
отвечает формированию рассеянных отражений от периодических неодно-
родностей в области Е, получим из (12), что f «1 с.
Можно заметить, что такого порядка времена релаксации
решеток получены при расчетах для турбулентного механизма расплывания
искусственных периодических неоднородностей электронной
концентрации в нижней ионосфере [7].
Наши оценки показывают, что при наличии спорадического слоя
Е такого же порядка времена жизни радиоотражений возможны и в
моменты времени, когда турбулентность отсутствует или когда она
вообще подавлена (в районе турбопаузы и выше).
Abstract
The most typical time for intensity drop of scattered radio-
reflections of artificial periodic inhomogeneities in the
ionosphere E region associated with wind shift effects is determined.

These shifts have to change an inhomogeneity amplitude and
distort its shape. The second process is more significant since it
causes radio-reflection disappearance for the period of a second.
Список литературы
1. Виленский ИМ., Израйлева Н.И., Капельэон А.А. и др.
Искусственные квазипериодические неоднородности в нижней ионосфере.
Новосибирск: Наука, 1987. 187 с.
2. Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Гетманцев Г.Г. и др. О
рассеянии радиоволн от искусственно возмущенной области
F-ионосферы // Письма в ЖЭТФ. 1975. Т.22. № 10. С.497-499.
3. Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Иткина М.А. и др.
Рассеяние радиоволн на периодических искусственных неоднородностях
ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 1977. Т.20. №12. С.1821-
1826.
4. Гинзбург В.Л. Распределение электромагнитных волн в
плазме. М.: Наука, 1967. 683 с.
5. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
343 с.
6. Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы
образования ионосферного спорадического слоя Е на различных
широтах. М.: Наука, 1976. 107 с.
7. Гершман Б.Н., Рыжов Ю.А. О турбулентном расплывании
искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере //
Изв. вузов. Радиофизика. 1983. Т.26, №10. С.1210-1213.
■ ■■■•' V.;v; Ъ./. ;."."' bt,-.<n= ■•?.■ :'.,i--i, <■ •■:..-
•■..{г; '■<:■<'■ w-.uwOrtT,-::'» '.''.i.-.'-'X'.-fJ:-, ■'' -w.
■ Щ '■■ wi";-":.*'> ■■f'».jf«|i^'-«:...<iv^-;'-::
•f^ ■;■;:■ . Nm**;; :?:•.;■."•.■•:■ •*!;'':;-.Y'-,v:-r;.:.;
:'.■'•: r;.«wr,:-:' ■•>-,■■••;• ■ •, ■.,..-;■ >r. v, >•• ' p
■ W'ruy:::.'. ,;. '■■'■ ;■■■■' --.жл ; ■•&'•■■ ■■-■.■!" '•

Р.Г.Минуллин
ПРОГНОСТИЧЕСКАЯ РАДИОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
СРЕДНЕШИРОТНОГО СПОРАДИЧЕСКОГО СЛОЯ Е
(краткое изложение)
Для радиосвязи, радиопеленгации, радионавигации, загори-
зонтной радиолокации, телевидения слой Es может обеспечить
дополнительный способ распространения радиоволн, который в зависимости
от решаемых задач и особенностей слоя Es может стать
вспомогательным или мешающим. В таких случаях бывает необходим
долгосрочный прогноз вариаций параметров слоя Es в зависимости от
выбранного интервала времени для заданной точки на поверхности
земного шара, а также долгосрочный прогноз условий распространения
радиоволн на трассах при наличии слоя Es с учетом качества канала
связи.
Для этих целей необходимо иметь прогностическую
радиофизическую модель слоя Es. Однако, несмотря на значительное число
теоретических и экспериментальных работ, посвященных слою Es,
полного и однозначного представления о нем на сегодняшний день
нет; отсутствует и законченная физическая теория слоя Es,
позволяющая решать прикладные задачи. Многие закономерности параметров
слоя Es и радиоволн, отраженных от него, окончательно не
установлены; сведения о них носят порой оценочный и даже противоречивый
характер. Большие трудности возникают при экспериментальных
исследованиях слоя Es из-за его эпизодичности, большой
изменчивости, локальности в пространстве, а порой и кратковременности
появления. Теоретические исследования слоя Es осложнены многообразием
возможных причин его возникновения и условий, влияющих на него,
которые, в свою очередь, еще недостаточно изучены.
Поэтому для разработки современной прогностической модели
слоя Es остается единственная возможность: непосредственные,
целенаправленные, систематические и многопараметрические
экспериментальные исследования слоя Es и его влияния на распространение
декаметровых и метровых радиоволн на трассах различной
протяженности и местоположения, с различными рабочими частотами,
мощностями передатчиков и диаграммами направленности антенн. Модель,
созданная в результате таких комплексных исследований, будет
объективно описывать основные и устойчивые проявления слоя Es,
будет способствовать пониманию и теоретическому осмысливанию: за-

кономерностей и аномалий пространственно-временной динамики
параметров слоя Es; их связи с последствиями гео- и гелиопроцессов в
атмосфере Земли; механизмов образования слоя Es и причин вариаций
вероятностно-энергетических характеристик радиоволн, отраженных
слоем Es.
Комплексные экспериментальные исследования слоя Es с целью
создания его прогностической радиофизической модели были
осуществлены нами в 1959-89 годах [1-77].
1. Методы экспериментального исследования слоя Es
и измерительная аппаратура
В течение более 30 лет методами наклонного зондирования на
постоянных частотах, а также вертикального и наклонного
зондирований на переменных частотах измерялись параметры слоя Es в
диапазоне декаметровых и метровых радиоволн на 8 исследовательских
трассах Советского Союза. При этом функционировало 33 частотных
радиоканала (табл.), оснащенных специально разработанной и
изготовленной аппаратурой [1-3, 7-9, 11, 15, 21, 38, 47, 49, 61, 73,
79, 94, 95].
Периодически в течение 2-3-х месяцев осуществлялась
непрерывная круглосуточная многоканальная регистрация текущих амплитуд
принятых сигналов в динамическом диапазоне 120 дБ. На основе этих
измерений определялись суточные и сезонные вариации средних
амплитуд, коэффициентов отражения, вероятностей появления или
коэффициентов заполнения iSs-сигналов (относительное суммарное время
обнаружения сигналов в заданных интервалах наблюдения),
находились распределения амплитуд и распределения длительностей
существования непрерывных отражений сигнала от слоя Es.
Измерялись азимутальные углы, углы возвышения, время
распространения и форма импульсов отраженных .Es-сигналов. Эти
параметры имеют и самостоятельное значение, характеризуя условия
распространения .Es-сигналов, и в то же время определяют
пространственное положение и динамику облаков Es, способствуют
определению причины многолучёвости и распознаванию механизма
распространения радиоволн в каждом конкретном случае.
Были разработаны методики измерений и обработки результатов
измерений, методики выделения .Es-сигналов среди сигналов,
отраженных регулярными слоями ионосферы, а также обусловленными F-
рассеянием, возвратно-наклонным рассеянием, ионосферным
рассеянием в области Е и отражениями от метеорных следов [43, 50, 53,
55, 58, 60, 63, 72, 74].

Таблица
Список экспериментальных радиолиний
Цикл
1
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
№
Р/
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
11
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Трасса
л
3
Москва-Казань
и
Москва-Одесса
м
Одесса-Казань
и
II
II
Москва-Горький
Салехард-Тюмень
и
и
Архангельск-Казан
и
II
■1
Москва-Казань
и
Москва-Казань
и
Москва-Одесса
м
Москва-Казань
и
и
Каликинград-Трои1
Москва-Ленинград
Москва-Казань
Москва-Казань
Казань-Москва
Москва-Казань
Москва-Казань
33 Москва-Казань
Частота
/, МГц
4
40,3
57,7
40,3
57,7
42,3
56,8
34,0
42,5
73,0
8,5
27,8
40,3
ь 9,0
14,3
24,0
44,8
4,9
9,9
14,9
19,4
9,9
14,9
4,9
9,9
14,9
ikI-20
1-20
1-20
1-20
1-20
4,9
9,9
14,9
Обоз к.
р/линий
5
МК-40
МК-57
МО-40
МО-57
ОК-42
ОК-56
КО-34
ОК-43
МГ-73
СТ-8
СТ-27
СТ-40
АК-9
АК-14
АК-24
АК-44
МК-5
МК-10
МК-15
МК-20
МО-10
МО-15
МК-5
МК-10
МК-15
кт
мл
мк
мк
км
МК-5
МК-10
МК-15
Период
измерений
6
IV.61-XII.64
IV.61-XII.64
I.61-XII.64
I.61-XII.64
I.60-V.65
I.60-V.65
VII.63-III.66
VII.63-III.66
VI.67-VII.68
VI-VIII.72.II.73
VI-VIII.72,11.73
VII -VIII.72,11.73
VII-IX.76
VII-VIII.76
VII-VIII.76
VIII.76
VII-VIII,XII.79,I.80
VII-VIII.XII.79,1.80
VII-VIII, XII.79,1-80
VI-VIII.79
VI-VIII. 80
VI-VIII.80
VI-VIII.83
VI-VIII.83
VI-VIII.83
XII.85-III.86
VI.86
VII-IX.87
VIII.89
VIII.89
IX-X.95
IX-X.95
IX-X.95

Были разработаны и изготовлены специальные
приемо-регистрирующие комплексы аппаратуры с учетом особенностей слоя Es
(случайность появления, динамика, локальность в пространстве и во
времени). Наклонное зондирование слоя Es на трассах
сопровождалось вертикальным зондированием его в центрах этих трасс.
2. Вероятностные характеристики слоя Es
при наклонном зондировании
На трассах, которые перечислены в таблице, наблюдались
отражения от слоя Es с продолжительностью существования, достигавшей
нескольких часов, и амплитудой, иногда превышавшей 1000 мкВ при
пороге регистрации 0,1 мкВ [17, 54, 57]. Для радиоканалов дека-
метровых волн получены распределения длительностей непрерывных
.Es-отражений, на которых четко видны изломы в области 60-100 с,
являющиеся границей между рассеянными и отраженными сигналами. На
распределениях длительностей отражений для радиоканалов метровых
волн изломы видны в области 200-300 с, но это границы между
отражениями от метеорных следов и от слоя Es [58].
С увеличением частоты наклонного зондирования длительности
непрерывных Us-отражений уменьшаются. Доказано, что влияния длины
трассы и частоты наклонного зондирования на распределения
длительностей можно учесть через эквивалентную частоту вертикального
зондирования и через этот параметр можно объединить результаты
измерений, выполненных на разных трассах с разными рабочими
частотами [57]. Найдены аналитические зависимости медианного
значения распределения длительностей Us-отражений от эквивалентной
частоты, а также средней амплитуды отраженного сигнала от
длительности существования £s-отражений; эти положения используются
при построении прогностической модели слоя Es [54]. Ошибка в
установлении порога по длительности в пределах от 10 до 600 с при
выделении .Es-отражекий на записях амплитуд принятых сигналов
влечет относительную погрешность определения коэффициента заполнения,
не превышающую 15%, что вполне допустимо при обработке
экспериментальных данных [54]. Кроме того, это обстоятельство важно как
методический подход при обработке данных, полученных при
различной энергообеспеченности трасс.
Из измерений следует, что коэффициент заполнения при
наклонном зондировании слоя Es также, как вероятность появления слоя Es
при вертикальном зондировании, испытывает суточные, сезонные и
циклические изменения, зависит от координат точки наблюдения [10,
13, 19-26, 36-38, 40, 42, 47, 51, 53, 57, 58, 64, 67, 72, 83, 84,

88, 89]. В суточных вариациях коэффициента заполнения .Es-сигналов
на всех трассах летом обнаруживаются четкие околополуденный (10-
12 ч) и вечерний (18-20 ч) максимумы, а также глубокий утренний
минимум (4-6 ч). Зимой в большинстве случаев виден только один
полуденный максимум коэффициента заполнения, но иногда намечается
и вечериий максимум. С увеличением рабочей частоты значения
коэффициента заполнения для слоя Es уменьшаются. Зимой и ранней
весной наблюдаются наименьшие значения коэффициента заполнения, с
мая по август - наибольшие. Если усредненный за лето коэффициент
заполнения по данным наклонного зондирования слоя Es условно
принять за единицу, то для равноденствия он составляет 0,25, а для
зимы 0,12 [57]. Такие же соотношения обнаруживаются в результате
обработки материалов возвратно-наклонного зондирования слоя Es,
полученных другими авторами.
Одной из задач, решаемых на первом этапе работ, было
выявление наиболее действенных прогностических факторов, которые должны
быть положены в основу эмпирической модели слоя Es. С этой точки
зрения исследуются метеорные явления в атмосфере Земли, связь
которых с возникновением слоя Es до сих пор однозначно не
установлена [5, 13, 20, 21, 23, 36, 42, 43, 91]. Однако выполненные
исследования не обнаружили зависимости образования слоя Es ни от
спорадических, ни от потоковых метеоров, поэтому метеоры как
прогностический фактор в дальнейшем не рассматриваются.
Найдено количественное описание выявленных морфологических
особенностей коэффициента заполнения для слоя Es [57].
Зависимость коэффициента заполнения от величины порога обнаружения по
напряжению аппроксимирована степенным законом. Коэффициенты
заполнения для летних данных и соответствующие эквивалентные
частоты связаны экспоненциальной зависимостью. Перечисленные
закономерности подтверждаются данными советских и зарубежных
исследователей.
3. Траекторные характеристики радиоволн,
отраженных слоем Es
Исследованы пространственные особенности слоя Es (высоты,
масштабы неоднородкостей, размеры и наклоны облаков) и зависящие
от них траекторные характеристики отраженных радиоволн [4-8, 12-
14, 16, 17, 34-37, 41, 52, 56, 68, 71]. Необходимые сведения о
слое Es получены в результате постановки специальных
экспериментов, численного моделирования, переработки данных других авторов.
Найдены распределения высот слоя Es как обобщение ракетных
измерений различных исследователей и пересчитанных действующих

высот с учетом группового запаздывания на пути радиолуча при
вертикальном зондировании; распределения аппроксимированы смещенным
рэлеевским законом с модой на высоте 100 км [71].
По регистрациям длительности существования отражений от
облаков Es с учетом средней скорости ветра (100 м/с) оценочно
определены горизонтальные масштабы неоднородностей, которые находятся
в пределах 1-2000 км [35]. Эти величины соразмерны или
значительно больше размеров первых зон Френеля на высоте 100 км на трассах
длиной 100-2000 км в диапазоне 5-50 МГц. Отсюда сделан вывод, что
для слоя Es по общему времени действия отражательный механизм
распространения радиоволн превалирует над рассеивающим [68].
Имитационным моделированием показано, что распределения
углов наклонов участков поверхностей с равными электронными
концентрациями на слое Es соответствуют нормальному закону со
средним значением, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением,
равным 10 градусам [12, 16, 68].
Разработан метод расчета траекторкых характеристик, который
позволяет получить распределения плотности вероятности
азимутальных углов, углов возвышения, вариаций длин пробега (времени
распространения) радиоволн, отраженных слоем Es [12, 16, 68]. Суть
метода состоит в следующем. Сигнал из передающего пункта в
приемный может попасть путем отражения от участка слоя Es,
расположенного на некоторой высоте с определенным наклоном. Вероятность
появления такого наклона на слое Es является вероятностью
радиосвязи через данную точку пространства. Последовательно интегрируя
по объему пространства, расположенному над плоскостями горизонтов
передающего и приемного пунктов, с учетом вероятности появления
нужного наклона облака Es в заданных интервалах азимутальных
углов (углов возвышения или длин пробега), получаем распределение
азимутальных углов (углов возвышения или длин пробега) отраженных
радиоволн для данной трассы. При интегрировании учитываются
распределения высот слоя Es, а также энергетика радиоканала
(мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной
антенн, их диаграммы направленности, поглощение, коэффициенты
отражения от слоя Es) и ведется контроль над превышением амплитудой
принятого сигнала порога обнаружения.
Путем численного моделирования по вышеописанному методу
исследованы влияния длины трассы, высот отражения и диаграмм
направленности антенн на траекторные характеристики радиоволн,
отраженных слоем Es [12, 16, 68]. Для проверки результатов
модельных расчетов выполнены соответствующие экспериментальные
измерения этих характеристик [12-17, 41, 52, 56, 68].

Расчетные распределения плотности вероятности азимутальных
углов при отражении радиоволн от слоя Es одномодальны,
симметричны и не зависят от распределения высот слоя Es [56, 68]. С
увеличением длины трассы от 400 до 2000 км максимальные отклонения
азимутальных углов от плоскости большого круга уменьшаются с ±14
до ±6° с уровнем вероятности 0,01. Распределения азимутальных
углов, измеренные на трассах Архангельск-Казань (9 МГц), Москва-
Казань (5; 10; 15 МГц), Москва-Одесса (10; 15 МГц) совпали с
соответствующими распределениями, рассчитанными под условия
эксперимента. Средний пеленг радиоволны, отраженной слоем Es, не
зависит от интенсивности принимаемого сигнала и от величины
предельной частоты слоя Es. Экспериментально доказано, что погрешности
пеленгации с использованием слоя Es не превышают погрешностей
пеленгации за счет регулярных слоев Е и F2 [56].
Расчетные распределения плотности вероятности углов
возвышения радиоволн, отраженных слоем Es на трассах, одномодальны и
асимметричны [68]. С увеличением длины трассы от 400 до 2000 км
вариации углов возвышения уменьшаются от 50 до 5 градусов с
уровнем вероятности 0,01, модальные значения стремятся к нулю. Для
известных случаев измерения распределений углов возвышения на
трассах длиной 1480 и 1740 км рассчитаны плотности вероятности
этих углов, соответствующие сравнения обнаруживают
удовлетворительное совпадение. Измерения, выполненные на трассе
Москва-Одесса на частоте 15 МГц, и расчет для них показали, что
распределения углов возвышения зависят от диаграмм направленности
используемых антенн [68].
Расчетные распределения плотности вероятности вариаций длин
пробега радиоволн, отраженных слоем Es на трассах, одномодальны,
асимметричны, уширяются при учете распределения высот слоя Es
[68]. С увеличением длины трассы от 400 до 2000 км вариации длин
пробега уменьшаются с 60 до 25 км с уровнем вероятности 0,01. При
учете диаграмм направленности реальных антенн распределения
вариаций длин пробега меняются незначительно: модальные значения
остаются почти неизменными, но вероятность вариаций длин пробега,
боьших 20-30 км резко уменьшается.
На трассе Одесса-Казань осуществлены прямые измерения
времени распространения (пробега) сигналов методом активной
ретрансляции из пункта приема в пункт передачи на частотах 34 и 42,5 МГц
с импульсами длительностью в 5 и 12 мкс соответственно [12, 68].
Измеренные распределения вариаций эффективных длин пробега в 2
раза уже расчетных, так как во время измерений разброс высот слоя
Es был меньше, чем было заложено в расчет в виде упомянутого выше
распределения, аппроксимированного смещенным рэлеевским законом.

На слое Es из-за его неоднородной структуры могут
существовать несколько отражающих участков, удовлетворяющих условию ра-
курсности и поэтому обуславливающих многолучевость в точке приема
Многолучевость можно условно разделить на 2 типа по времени
относительного запаздывания лучей в месте приема: 1) меньше
длительности излученного импульса; 2) больше длительности импульса.
Многолучевость первого типа приводит к искажениям формы принятого
импульса, второго типа - к появлению в приемном тракте двух и
более импульсов.
На трассе Казань-Одесса при передаче на частоте 34 МГц
импульсов длительностью 5 мкс многолучевость первого типа
наблюдалась в 66%, а второго типа - в 6% общего времени наблюдения [17].
Максимальные взаимные запаздывания лучей составили 34 мкс (10 км)
летом и 24 мкс (7 км) осенью. Эти экспериментальные данные
подтверждены соответствующими модельными расчетами.
В результате исследований получено, что условия
распространения радиоволн на трассе определяются отражающими свойствами
облаков Es, которые находятся, в основном, вблизи центра трассы и
могут однозначно контролироваться ионосферной станцией
вертикального зондирования в этой точке. Отсюда следует, что данные по
коэффициенту заполнения для слоя Es, которые анализировались выше,
коррекции за влияние диаграмм направленности антенн не требуют,
т.к. угловые размеры пространства, где находятся участки слоя Es,
участвующие в преимущественном отражении радиоволк на трассах,
значительно уже диаграмм направленности обычно применяющихся
антенн декаметрового и метрового диапазонов волн.
Слой Es может способствовать распространению радиоволн в то
время, когда на данной трассе отсутствует их прохождение за счет
слоев Е или F2, обеспечивая таким образом передачу
дополнительного количества информации. Если отражения от слоя Es появляются
тогда, когда радиолиния работает за счет отражения от слоя Е или
F2, или других способов распространения радиоволн, то возникает
многолучевость, которая может приводить к потерям информации.
Сведения о траекторных характеристиках радиоволн, отраженных
слоем Es, дают возможность определять оптимальные условия адаптации
радиоканала для эффективного использования или, наоборот,
исключения из него .Es-сигналов. Это достигается путем рационального
выбора формы и положения диаграмм направленности антенн в
пространстве и отбора сигналов по времени их прихода в случае
импульсной модуляции. Сведения о многолучевых запаздываниях обеспечивают
оценку пропускной способности радиоканала.
Итак, в рамках пространственно-вероятностной модели слоя Es
разработан метод расчета траекторных характеристик (азимутальных

углов, углов возвышения, длин или времени пробега) радиоволк,
отраженных слоем Es, на односкачковых трассах с учетом условий
распространения и технических параметров радиолинии. Метод
апробирован экспериментально, предлагаемая модель адекватна реальным
проявлениям слоя Es. Метод расчета реализован в виде пакета
прикладных программ для микро-ЭВМ.
4. Энергетические характеристики радиоволн,
отраженных слоем Es
Исследованы отражающие свойства слоя Es и энергетические
характеристики отраженных радиоволн [6, 18, 27-29, 32, 37-39, 48,
49, 53, 65-67, 69, 71, 75, 82, 86]. Индикаторами меняющейся
структуры и состояния плотности слоя Es являются изменения
амплитуды и частотного спектра отраженных радио-сигналов. Для изучения
их особенностей применен статистический подход.
Необходимые сведения о слое Es получены экспериментально в
декаметровом и метровом диапазонах на трассах Москва-Казань (5;
10; 15; 20; 40; 57 МГц), Москва-Одесса (10; 15; 40; 57 МГц),
Одесса-Казань (34; 42; 56 МГц), Салехард-Тюмень (8; 27; 40 МГц),
Архангельск-Казань (9; 14; 24; 44 МГц) и др. Для сопоставления
были привлечены данные других авторов. Регистрация амплитуд
принятых сигналов производилась в динамическом диапазоне 120 дБ с
порогом на уровне космических шумов. Us-сигкалы среди сигналов,
обусловленных другими механизмами распространения радиоволн,
выделялись с помощью методики изложенной ранее.
Во всех циклах измерений наиболее интенсивные слои Es
обнаруживаются летом: утром (4-6 часов) средние (усреднение по 100
отсчетам за 100 с) амплитуды отраженных радиосигналов минимальны
и превышают уровень космических шумов только на 10-20 дБ, днем
(10-12 часов) и вечером (18-20 часов) превышение достигает 80-100
дБ. С ростом частоты наклонного зондирования амплитуды отраженных
Яа-сигналов уменьшаются. В интегральных распределениях амплитуд
всегда обнаруживается точка перегиба (здесь вторая производная
меняет свой знак); доказано, что она является границей между
сигналами, рассеянными и отраженными слоем Es. Днем вероятность
появления отраженных сигналов выше, чем рассеянных. Найдена
статистическая корреляционная связь между амплитудами Bs-сигналов и
длительностями их существования [54].
Известно, что флуктуации амплитуд сигналов,
распространяющихся в радиоканале, влияют на его пропускную способность.
Проанализированы высокочастотные флуктуации Bs-сигналов на основе

искажений микросекундных импульсов в полосе пропускания 2 МГц
[17]. Также проанализированы низкочастотные флуктуации сигналов
при полосе 20 Гц [18, 32]. Для оценки скорости флуктуации
принятых сигналов определялись средние периоды колебаний на записях их
мгновенных амплитуд. В распределениях средних периодов флуктуации
также наблюдается перегиб, как граница между рассеянными и
отраженными 2?5-сигналами. С увеличением амплитуды Us-сигналов периоды
их колебаний увеличиваются, с возрастанием рабочей частоты
периоды флуктуации уменьшаются; выявленные регрессионные зависимости
описаны аналитически. Если предположить, что флуктуации амплитуд
JUs-сигналов связаны с дрейфом мелкомасштабных неоднородностей, то
их размеры лежат в пределах 300-3200 м.
Суточно-сезонные вариации коэффициента отражения от слоя Es
повторяют аналогичные вариации амплитуд отраженных от него
радиосигналов [6, 17, 27, 37-39, 48, 49, 53, 66, 67, 69, 71, 75, 82,
86]. Коэффициенты отражения в послеполуночные и утренние часы в
основном не превышают уровня 0,2, в дневные и вечерние часы имеют
значительный разброс и достигают величин, превышающих даже
единицу. Если вариации коэффициента отражения для регулярного слоя Е
находятся в пределах 0,2-1,0, то для слоя Es - в пределах 0,001-
10. В большинстве случаев для экранирующих слоев Es коэффициент
отражения находится в интервале 0,4-1,0 и не зависит от частоты
зондирования, для полупрозрачных слоев он с ростом частоты
зондирования резко уменьшается по величине. Коэффициент отражения
зависит от структуры облаков Es. В большинстве случаев
крупномасштабные и плотные электронные неоднородности Es обеспечивают
длительное существование отраженных радиосигналов с большими
амплитудами. Но обнаруживаются длительные отражения и с небольшими
амплитудами 1?$-сигналов, они обусловлены большими, но не очень
плотными неоднородностями или длительно существующей
совокупностью мелких неоднородностей.
Коэффициент отражения зависит также от фокусирующих и дефо-
кусирующих свойств слоя Es, обусловленных появлением на нем
областей электронных концентраций в виде наклонных образований и
вогнуто-выпуклых линз. В случае фокусировки коэффициент отражения
может быть больше единицы. Показано, что распределения
коэффициентов отражения также имеют точку перегиба, которая соответствует
примерно 0,03 и разделяет массивы рассеянных и отраженных Яд-
сигналов. Коэффициенты отражения для слоя Es имеют прямую
статистическую связь с его предельными частотами, которые более полно
характеризуют слой и его структурные особенности, чем частоты
экранирования.

Надо отметить, что наилучшие условия для передачи информации
создаются при действии однолучевого отражательного механизма на
крупномасштабных неоднородностях слоя Es (большие амплитуды и
низкая частота фединга принятого сигнала). Однако при
необходимости увеличения объема передаваемой информации можно использовать
и те случаи, когда слой Es бывает мелкомасштабным, а сигнал
рассеянным и многолучевым (небольшие амплитуды и высокая частота
фединга). С этой целью радиоканал можно сделать адаптирующимся,
используя полученные сведения об особенностях вариаций амплитуды
2?5-сигналов. При этом будут устанавливаться оптимальные режимы
усиления с соответствующим динамическим диапазоном и оперативно
изменяться скорости срабатывания автоматической регулировки
усиления для сохранения качества передаваемой информации, а при
улучшении отражающих свойств слоя Es будет оперативно
увеличиваться скорость ее передачи.
Согласно ракетным измерениям слой Es в виде градиентов
ионизации встречается значительно чаще, чем в виде тонких слоев,
особенно днем. В результате градиентного подхода к измерениям,
выполненным на перечисленных выше трассах, и учета фоновой
ионизации регулярного слоя Е получено аналитическое выражение для
коэффициента отражения для полупрозрачиого слоя Es в зависимости от
его предельной частоты, критической частоты регулярного слоя Е,
рабочей частоты и длины трассы [69, 71, 75]. Экспериментальные
данные Г.Н.Носовой подтверждают найденную эмпирическую
закономерность для коэффициента заполнения. Анализ этой закономерности
показал, что отсчеты предельных частот слоя Es на ионосферных
станциях днем и ночью происходят при разных пороговых уровнях
коэффициента отражения; днем он примерно равен 0,04, ночью - 0,1,
разница может достигать 20 дБ. Таким образом, параметры слоя Es,
зарегистрированные на ионосферных станциях вертикального
зондирования, соответствуют отражательному механизму распространения
радиоволн.
Формула для коэффициента отражения дает возможность
рассчитывать максимально-применимые частоты (МПЧ) для слоя Es в
зависимости от технической энергообеспеченности радиоканала, длины
трассы, времени суток и сезона. По этой же формуле можно
рассчитывать поправки к коэффициенту М, который в практику введен
Т.С.Керблай и применяется для расчета МПЧ слоя Es в зависимости
от длины трассы при его постоянной высоте, равной 120 км.
Поправки вызываются тем, что высоты слоя Es меняются в пределах от 85
до 150 км, как было показано выше, и изменяется структура слоя
Es. Но в основном поправки зависят от выбора величины порога об-

наружения iJs-сигналов по амплитуде [69, 75]. Наибольшие поправки
имеют место ночью (до 2,5), наименьшие - днем (до 1,5); с
уменьшением амплитудного порога величины поправок возрастают и
вероятность появления Es -сигналов в радиоканале растет. Расчеты
подтверждаются соответствующими экспериментальными данными [28, 29,
65, 69, 75].
Итак, разработанная методика расчета величины МПЧ
обеспечивает пересчет вероятности появления слоя Es при вертикальном
зондировании в вероятности появления Es при наклонном зондировании,
что является методическим принципом разработанного прогноза
условий распространения радиоволн за счет слоя Es. Кроме того,
методика обеспечивает расчет коэффициентов отражения в зависимости от
предельных частот слоя Es и соответствующих им амплитуд
Es-сигналов в радиоканале с учетом его энергообеспеченности и состояния
ионосферы.
5. Пространственно-временная модель
среднеширотного слоя Es
Исследования параметров слоя Es, выполненные нами на трассах
Советского Союза и описанные выше, к сожалению, не охватывают
полностью весь пояс северных средних широт и не затрагивают южное
полушарие Земли. К тому же многолетние измерения характеристик
слоя Es меньше 11-летнего цикла солнечной активности. Хотя в
результате этих исследований установлены многие устойчивые
закономерности параметров слоя Es, но их недостаточно для создания
пространственно-временной модели слоя Es.
В основу модели можно положить 30-летние измерения
параметров слоя Es на мировой сети ионосферных станций вертикального
зондирования, ибо, как было показано выше, данные вертикального
зондирования слоя Es в центре трассы определяют условия
распространения радиоволн на трассе.
Как прогностические факторы модели слоя Es выбраны: местное
время, месяц, географическая широта (эти факторы в совокупности
определяют зенитный угол Солнца) и индекс солнечной активности в
виде чисел Вольфа. В качестве прогнозируемых параметров модели
выбраны предельная частота слоя Es, как наиболее полно
характеризующая его в отличие от частоты экранирования, как было
установлено выше, и действующие высоты слоя Es. Из-за случайности слоя
Es эти параметры обычно представляются в виде распределений. Для
выявления устойчивых статистических закономерностей
анализировались месячные медианные значения этих параметров для каждого часа
суток.

Для построения модели использованы данные 50 станций
вертикального зондирования, расположенных в северных (20-60 градусов)
и южных (-20—60 градусов) широтах [45, 46, 62, 70, 76].
Выбраны станции, где в течение 11 лет (1958-68 гг.) велись непрерывные
наблюдения. Данные более поздних лет привлечены для сопоставления
и контроля.
Суточные вариации медианных значений предельных частот слоя
Es вследствие их периодичности, зависящей от суточного вращения
Земли, описываются тригонометрическим полиномом в виде разложения
в ряд Фурье [45, 62, 70, 76]. Показано, что такое описание с
помощью трех гармоник вполне репрезентативно, т.к. они описывают
95% вариаций рассматриваемого параметра [44]. Корреляционный
анализ показал, что для среднеширотного слоя Es теснота связи
коэффициентов Фурье с географическими и геомагнитными
координатами примерно одинакова, поэтому предпочтение отдано географическим
координатам, как наиболее простым в пользовании. Четкой связи
коэффициентов Фурье с долготами установить не удалось. Зависимость
коэффициентов Фурье от времени года и широты описана через
косинус полуденного значения зенитного угла Солнца; для всех гармоник
эти связи оказались значимыми. Тесная связь с числами Вольфа
установлена только для постоянной составляющей и косинусной
составляющей первой гармоники ряда Фурье.
Анализ показал, что первая гармоника ряда Фурье описывает в
вариациях медианных значений предельных частот слоя Es результат
воздействия излучения Солнца (24-часовой период) и зависит от
времени года, широты и солнечной активности; вторая гармоника
описывает результат гравитационного воздействия Солнца
(12-часовой период) и зависит от времени года и широты; третья гармоника
(8-часовой период) также зависит от времени года и широты [93].
В результате гармонического анализа суточных кривых
медианных значений предельных частот слоя Es за каждый месяц
одиннадцати лет для 50 станций было получено в общей сумме 46000
коэффициентов ряда Фурье [45]. Затем после нахождения определенных
устойчивых закономерностей этот массив коэффициентов был
представлен аналитическими выражениями, описывающими амплитуды синусной и
косинусной составляющих трех гармоник ряда Фурье в зависимости от
выбранных прогностических факторов. В найденных выражениях
имеются члены, тесно связанные с глобальными изменениями зональной
составляющей скорости преобладающего ветра [62, 76, 97, 100].
Сравнение рассчитанных суточных вариаций медианных значений
предельных частот с соответствующими экспериментальными данными,
для 12 станций северных и южных широт восточного и западного по-

лушарий показало их адекватность, т.к. разности между часовыми и
рассчитанными, и экспериментальными величинами подчиняются
нормальному закону со средним значением 0,02 МГц и среднеквадрати-
ческим отклонением 0,45 МГц. Сопоставление медианных значений
предельных частот, рассчитанных по разработанной нами модели и
подобным моделям, упомянутым ранее, с экспериментальными данными
показало, что наименьшие расхождения имеют место в модели,
предлагаемой нами, а также О.Г.Овезгельдыевым и Г.В.Михайловой.
На основании полученных формул [62, 70, 80, 81, 85, 90, 98]
рассчитаны глобальные карты медианных значений предельных частот
слоя Es для 12 месяцев года при средней солнечной активности; они
предназначены для экспресс-расчетов.
Распределения предельных частот слоя Es описаны с помощью
модифицированного усеченного рэлеевского закона, куда в качестве
параметров за данный час суток входят медианные значения
предельных частот слоя Es, рассмотренные выше, и значения
критических частот регулярного слоя Е, определяемые по формулам М.В.Боен-
кова [30, 31, 33, 59, 62, 70]. Проверка репрезентативности
полученных формул выполнена с помощью выборочного анализа
распределений предельных частот слоя Es с применением критерия W .
Соответствие расчетных и экспериментальных распределений имело место:
зимой - в 71 % случаев, в равноденствие - в 70%, летом - в 77 %.
Это вполне достаточно для практических целей.
На основании полученных формул рассчитаны серии номограмм,
которые охватывают практически возможные варианты распределений
предельных частот слоя Es и предназначены для экспресс-расчетов.
В результате анализа материала наблюдений 16-ти ионосферных
станций выявлены суточные, сезонные и широтные вариации медианных
значений действующих высот слоя Es; вариации, связанные с
долготой и солнечной активностью, не обнаружены [71, 78, 92, 99].
Суточные кривые медианных значений действующих высот также
представлены в виде ряда Фурье из трех гармоник, а их коэффициенты
связаны с косинусом зенитного угла Солнца. Постоянная
составляющая Фурье коррелирует с толщиной озонного слоя, как ранее
указывал П.Бенце. Получено аналитическое выражение, описывающее суточ-
но-сезонные и широтные вариации медианных значений действующих
высот слоя Es в средних (20-60 градусов) широтах.
Сравнение исходных и синтезированных кривых медианных
значений действующих высот слоя Es для всего анализируемого массива
показало, что в 90 % случаев расхождения не превышают 7 км, что в
относительных единицах составляют 5-7%. Такая точность описания
достаточна для практических целей.

Отмечается, что если при вертикальном зондировании значения
предельных частот выше 5 МГц, то действующие и истинные высоты
слоя Es примерно равны из-за малости групповотч) запаздывания
отраженного радиолуча. Распределение высот слоя Es, как было
показано выше, соответствует смещенному рэлеевскому закону, куда
медианное значение высот входит как параметр с определенным
коэффициентом [71, 78, 92, 99].
Итак, разработана вероятностная пространственно-временная
аналитическая модель среди еш и ротного слоя Es, которая дает
возможность рассчитывать с заданной вероятностью предельные частоты
и высоты слоя Es при вертикальном зондировании в зависимости от
времени суток, месяца и года в цикле солнечной активности, а
также географической широты точки наблюдения.
6. Прогностическая радиофизическая модель слоя Es
и ее анализ
Обобщенная прогностическая радиофизическая модель состоит из
вышеупомянутых пространственно-временной модели слоя Es 162, 70,
80, 81, 85, 90, 98], разработанной на основе данных вертикального
зондирования, и метода прогноза условий распространения радиоволн
с использованием слоя Es на среднеширотных трассах с учетом их
технической оснащенности.
Прогностическими факторами обобщенной модели являются: время
суток, месяц, год, географические координаты передающего и
приемного пункта, порог обнаружения по амплитуде в приемном канале,
мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной
антенн.
Рассчитываются геометрические параметры трассы, медианное
значение высот слоя Es, пороговый коэффициент отражения,
пороговое значение предельной частоты слоя Es, вероятность появления
слоя Es или вероятность радиосвязи, наименьшая длительность
существования отраженных сигналов в радиоканале или сеансов связи.
А также рассчитываются распределения: предельных частот слоя Es,
коэффициентов отражения, амплитуд и длительностей существования
принятых сигналов, высот слоя Es. Рассчитываются распределения
азимутальных углов, углов возвышения и вариаций времени
распространения радиоволн, отраженных слоем Es.
Проверка адекватности модели осуществлена сравнением
рассчитанных суточных и сезонных вариаций предельных частот при
заданных уровнях вероятности появления слоя Es с соответствующими
исходными экспериментальными данными станций вертикального зондиро-

вания, расположенными в северных и южных широтах Земли.
Результаты сопоставления в виде отдельных примеров приведены на рис. 1
[Л1] и рис.2 [Л2, ЛЗ]. Аналогичным образом сопоставлены расчеты
с экспериментальными данными, не использованными в построении
модели. Во всех случаях сравниваемые кривые имеют небольшие
различия по уровню и характеру вариаций, расхождения большей частью
не превышают 10 % при нормировке к максимальным значениям
параметра.
О Ч В 12 16 20 14
LT,4
Рис. 1. Сравнение суточных вариаций предельных частот слоя Es для
разных уровней вероятностей, полученных экспериментально (линии с
точками) при вертикальном зондировании на ст. Фрейбург (у>=48,1 )
в июне-июле 1956-70 гг. [Л1] и рассчитанных соответственно по
модели (плавные линии)
Сопоставлены рассчитанные по модели суточные и сезонные
вариации коэффициентов заполнения с подобными экспериментальными
данными, полученными нами и другими исследователями [Л4-Л8] на
трассах декаметровых и метровых радиоволн. Некоторые результаты
сопоставления представлены на рис. 3. Расчеты сделаны с учетом
конкретных технических характеристик трасс. Имеет место
совпадение кривых по уровню и характерным особенностям, некоторые
расхождения объясняются малой статистикой экспериментальных данных.
Осуществлено сравнение рассчитанных и экспериментальных вариаций
амплитуды Es- сигналов (см. рис. 4), распределений амплитуд и

PES, %
30-
20-
10-
ж ж ж ш
1 1 1—I 1 Г—I Г-1—! Г
Ш X I Ш Ж
-I Г
Ж I I Ш Ш
В Месяцы
Рис. 2. Сравнение годовых вариаций вероятности появления слоя Es
для foEs>5 МГц, полученных экспериментально (линии с точками) при
вертикальном зондировании: а) на ст. Юлиус Рюген (у>=54 ) в 1957-
79 гг., [Л2], б) на ст. Раратонга (у>= -43,5е) в 1947-83 п\, [ЛЗ],
в) на ст. Крайсчерч ( = -21,2°) в 1947-83 гг. [ЛЗ] и рассчитанных
соответственно по модели (плавные линии)

Лето
48-13 [/\ f]
ТЧ I I | I I Г I | | !■
АА-1В[Лб]
604
40
го
1—I—I—I I I—I—I—I I 7
20-i
О
40
го
о
го
~\—i—i i i—i—1—i—i—п—
дб-гг(>\4-] чо-
го-
АБ-18{ЛЧ]
НА-18[Лб]
i i i i i i—i j i i i
гол /м. ^«-го
oW^TVf^>"
204
О
го
"*i 11111 1111 "* _,
1П-Ч0\Л5\ 5
СП-Ч0\Л5]
or-f д(л7]
1 ^i. >£7ul',oj °i _/-%
СС-50[ЛВ]
ОК-57 5
мк-чо
4 8 12 16 20 Z.7JV Л Ж'Й'ШГ J 2Ж
а 5 Месяиы
Рис. 3. Сравнение суточных (а) и годовых (б) вариаций-
коэффициента заполнения для слоя Es, полученных экспериментально
(непрерывные линии) на различных трассах и частотах и рассчитанных
соответственно по модели (точки) [Л4-Л8]

ЮМГи,
UtMKB
25
к ^ 50
I I I I I ! I I
15 МГц
О Ч 8 12 16 20 LT,4
■ 10МГи*Р%
Z
10
25
50
15
I l" I I I IT I I I I
15МГЦ
20 МГц
I fill—П—I—Г—1—Г
0 h- в 12 16 20LTt4
5
Рис.4. Сравнение суточных вариаций средних амплитуд Es-сигналов
на разных уровнях вероятности появления, полученных
экспериментально (а) на трассе Москва-Казань на частотах 10; 15; 20 МГц в
июле-августе 1979 г. и рассчитанных соответственно по модели (б)

длительностей существования .Es-сигналов на основе наших измерений
на различных трассах на нескольких рабочих частотах; наблюдается
удовлетворительное соответствие.
Таким образом, проверка на адекватность описания и анализ
прогностических свойств обобщенной радиофизической модели слоя Es
показали ее полную дееспособность.
Разработанная модель позволила разрешить ряд противоречий и
неопределенностей, существующих по отношению к среднеширотному
слою Es, и установить связь его параметров с гелио- и
геоявлениями в атмосфере Земли.
До сих пор нет единого мнения о влиянии солнечной активности
на характеристики слоя Es. Модельные расчеты показали, что летом
предельные частоты слоя Es связаны прямой зависимостью с числами
Вольфа, а вероятность появления - обратной.
Установлена связь высот слоя Es с толщиной озонного слоя в
атмосфере Земли.
Не обнаружена связь вероятности появления слоя Es с
метеорами.
Отмечены аномально повышенные значения медиан предельных
частот в районе Японских островов и пониженные - на южной
оконечности африканского континента.
Выявлены планетарные волны в широтных вариациях медианных
значений предельных частот слоя Es.
Годовые, полугодовые, суточные и полусуточные периодичности
вариаций предельных частот слоя Es, найденные при разработке
модели и положенные в ее основу, коррелируют с аналогичными перио-
дичностями в вариациях зонального ветра.
Суточные вариации предельных частот слоя Es зависят от
термического воздействия Солнца, а полусуточные - от гравитационного
воздействия.
Большая часть малоинтенсивных слоев Es образуется за счет
перераспределения фоновой электронной концентрации (концентрации
регулярного слоя Е) и по величине напрямую связана с ней.
Последние положения являются доказательством действенности
теории ветрового сдвига, объясняющей механизмы образования и
существования слоев Es.
Итак:
1. Выполнены длительные (1959-89 гг.) экспериментальные
исследования параметров среднеширотного слоя Es и радиоволн,
отраженных от него в декаметровом и метровом диапазонах, методами
наклонного и вертикального зондирований с помощью специально
спроектированных и изготовленных многоцелевых измерительных комплек-

сов. Разработаны методики регистрации и обработки Es-сигналов, а
также методики их выделения среди сигналов, обусловленных другими
механизмами распространения радиоволн.
2. Установлены эмпирически и описаны аналитически [45, 57,
62, 70, 80, 81, 85, 87, 90, 96, 98] устойчивые закономерности
траекторных, энергетических и пространственно-временных
характеристик Es- сигналов.
3. Создана прогностическая радиофизическая модель слоя Es,
которая включает в себя:
а) вероятностную пространственно-временную модель среднеши-
ротного слоя Es, разработанную на основе экспериментальных данных
мировой сети ионосферных станций вертикального зондирования за
период 1958-80 гг. и представленную в аналитическом виде;
б) метод долгосрочного прогноза условий распространения де-
каметровых н метровых радиоволн посредством слоя Es на односкач-
ковых трассах средних широт, разработанный на основе
установленных эмпирических закономерностей.
4. Прогностическая радиофизическая модель слоя Es имеет вре-
менные, геофизические и технические входные параметры, дает
детальное описание комплекса характеристик слоя Es и радиоволн,
отраженных от него, обладает большей универсальностью и
повышенной точностью по отношению к моделям, известным на сегодняшний
день.
5. Прогностическая радиофизическая модель слоя Es
обеспечивает для радиоканалов связи, телевидения, пеленгации, загоризонт-
ной радиолокации с известными техническими параметрами
долгосрочный прогноз вероятности появления .Es-сигналов, их амплитудных
уровней и длительностей существования, а также углов прихода и
времени распространения отраженных радиоволн. Модель доведена до
практического применения в виде алгоритмов, машинных программ для
микроЭВМ и номограмм.
Abstract
The paper presets a review of the research work by R.G.Mi-
nullin in experimental studies of the Es layer for the period of
30 years (1959-1989) using methods of
vertical-and-oblique-incidence sounding along middle-latitude highways of the USSR.
A prognostic radio-physical model of the Es middle-latitude
layer has been constructed on the basis of the data obtained from
space-probabilistic variations parameters of the Es layer and its
energy characteristics. The model ensures:

1) a long-term forecast of the Es layer radio-physical
parameters in dependence on time and place on the globe,
2) a long-term forecast of the conditions of deca-meter and
meter radio-waves propagation along one-shock highways taking
into account their technical equipment.
The model efficiency of the Es layer has been checked up by
comparing with experimental data of corresponding calculations
made in accordance with the model.
Список литературы
1. Минуллин Р.Г., Стахов А.А. Автоматическая проверка
высокостабильных генераторов по образцовой частоте 100 кГц //
Измерительная техника. 1964. №9. С. 47-48.
2. Минуллин Р.Г. Электронная установка для считывания
графических функций // Метеорное распространение радиоволн. Казань:
Казан, ун-т, 1964. №2. С. 141-145.
3. Минуллин Р.Г., Михайлов Б.К. Аппаратура для изучения мно-
голучевости на метеорной радиотрассе // Метеорное распространение
радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1966. №3-4. С. 189-198.
4. Минуллин Р.Г. Экспериментальные исследования разброса
длин пробега сигналов на метеорных трассах // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1966. №3-4. С.199-214.
5. Минуллин Р.Г. Разброс длин путей сигналов при метеорном
распространении на трассе 700 км // Метеорное распространение
радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1966. №3-4. С. 215-218.
6. Минуллин Р.Г., Михайлов Б.К. Наклонное зондирование слоя
Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1966. №3-4. С. 219-227.
7. Минуллин Р.Г., Сидоров В.В. Проверка частоты
высокостабильных генераторов через метеорные следы // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1969. №5-6. С. 122-124.
8. Минуллин Р.Г., Михайлов Б.К. Привязка высокостабильных
генераторов через метеорные следы и слой Es // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1969. №5-6, С.125-129.
9. Палий Г.Н., Минуллин Р.Г., Иванова Ю.Д., Сухоцкий А.В.
Привязка шкал времени с использованием метеорных следов //
Исследования в области измерений времени и частоты. Труды
метрологических институтов СССР. М.: Изд. Комитета Стандартов, 1969.
Вып. 106(166). С. 30-35.
10. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Сидоров В.В. Модели слоя Es
при наклонном УКВ зондировании // Тезисы докладов Всесоюзной
конференции по физике ионосферы. Львов, 1970. С. 10-11.

11. Минуллин Р.Г., Палий Г.Н., Сидоров В.В., Сухоцкий А.В.,
Иванова Ю.Д. Привязка шкал времени к Госэталону с использованием
метеорных отражений // Измерительная техника. 1971. № 1. С. 22-24.
12. Минуллин Р.Г. Длины пробега сигналов при односкачковом
отражении от слоя Es / / Исследования в области измерений частоты
и времени. Труды Сибирского ГОСНИИ метрологии. Новосибирск. 1971.
Вып. 11. С. 89-97.
13. Минуллин Р.Г., Сидоров В.В. Сравнение характеристик УКВ-
сигналов, отраженных от слоя Es и метеорных следов // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1971. №8. С. 59-
65.
14. Минуллин Р.Г. Особенности передачи сигналов времени через
слой Es // Метрология в радиоэлектронике. М.: Материалы II
Всесоюзного семинара-совещания. 1971. С. 192-195.
15. Минуллин Р.Г. Устройство для измерения времени прихода
сигналов. Авторское свид. № 371558 с приоритетом от 11 октября
1971 г.
16. Минуллин Р.Г., Сидоров В.В. Использование метода
эффективных наклонов слоя Es для расчета углов прихода отраженных
сигналов // Исследования распространения коротких радиоволн. М.:
Наука, 1973. С. 38-47.
17. Минуллин Р.Г., Михайлов Б.К. Импульсное УКВ-зондирование
слоя Es на трассе 1620 км // Геомагнетизм и аэрономия. 1973.
Т. 13. №2. С. 272-276.
18. Керблай Т.С, Носова Г.Н., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А.
Периоды флуктуации сигналов с частотой 27,8 МГц, отраженных от
интенсивных слоев Es // Вопросы распространения коротких
радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1973. С. 117-124.
19. Бойков В.И., Жулина Е.М., Кацевман М.М., Коровин А.В.,
Курганов Р.А., Лукин И.В., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н. Влияние
протонных вспышек в августе 1972 г. на распространение радиоволн
в субавроральной области // Геомагнетизм и аэрономия. 1973. Т.13.
№6. С. 1116-1117.
20. Минуллин Р.Г., Белькович О.М. Численность отражений на
частоте 40 МГц на метеорных трассах Москва-Казань и Одесса-Казань
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1973. №9. С. 70-85.
21. Ананьева М.П., Бойков В.И., Керблай Т.С, Кацевман М.М.,
Коровин А.В., Курганов Р.А., Лукин И.В., Минуллин Р.Г., Носова
Г.Н. Комплексное зондирование ионосферы на трассе 1050 км //
Актуальные вопросы распространения декаметровых волн. Секц. 4.
М.: ИЗМИРАН, 1973. С. 137-140.

22. Document C.C.I.R. Study Groups. Period 1970-74. Study
Programme 4B-1/6. Doc. 6/287 - E.USSR. Reflection from the Es
layer at HF and UHF over distances 1000 km.
23. Минуллин Р.Г., Белькович О.И. Длительные отражения на
частоте 40 МГц на метеорных трассах Москва-Казань и Одесса-Казань
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1975. №10-11. С. 60-66.
24. Минуллин Р.Г.,Сидоров В.В. Коэффициент заполнения для
сигналов, отраженных от слоя Es на метеорно-ионосферных
радиотрассах // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан,
ун-т, 1975. №10-11. С. 128-133.
25. Керблай Т.С., Носова F.H., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А.,
Кацевман М.М. Исследование вероятности существования .Es-сигналов
на метеорно-ионосферной линии // Метеорное распространение
радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1975. №10-11. С. 134-141.
26. Минуллин Р.Г., Курганов Р.А. Характеристики сигналов,
отражающихся от слоя Es на частоте 27,8 МГц // Тезисы докладов XI
Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Казань:
Казан, ун-т, 1975. Часть IV. С. 201-203.
27. Минуллин Р.Г., Елисеева Т.Я. Прогнозирование вероятности
радиосвязи с использованием слоя Es // Тезисы докладов XI
Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Казань: Казан,
ун-т, 1975. Часть I. С. 67-68.
28. Керблай Т.С., Носова Г.Н., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А.
Коэффициент М для слоя Es на трассе 1050 км // Тезисы докладов XI
Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Казань:
Казан, ун-т, 1975. Часть IV. С. 204-206.
29. Керблай Т.С., Носова Г.И., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А.
Коэффициент М при отражении радиоволн от слоя Es на трассе длиной
1050 км // Геомагнетизм и аэрономия. 1976. Т. 16. №1. С. 88-91.
30. Минуллин Р.Г., Елисеева Т.Я. Закономерности интегральных
распределений предельных частот спорадического слоя Е //
Геомагнетизм и аэрономия. 1976. Т. 16. № 4. С. 726-728.
31. Минуллин Р.Г., Елисеева Т.Я., Лещенко Н.В. Методы
описания интегральных распределений предельных частот спорадического
слоя Е // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан,
ун-т, 1976. №12-13. С. 206-211.
32. Керблай Т.С., Носова Т.Н., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А.
Периоды флуктуации сигналов, обусловленных ионосферным рассеянием
и отражением от слоя Es на частотах 27,8 и 40,3 МГц //
Геомагнетизм и аэрономия. 1977. Т. 17. №2. С. 231-236.
33. Минуллин Р.Г., Елисеева Т.Я., Лещенко Н.В. Закономерности
интегральных распределений foEs // Сборник аспирантских работ.

Точн. науки, физика. Казань: Казан, ун-т, 1977. Часть I. С.107-
114.
34. Керблай Т.С., Ковалевская Е.М., Носова Г.Н., Минуллин
Р.Г., Курганов Р.А. МПЧ необыкновенной составляющей по данным
эксперимента на линии Салехард - Тюмень // Методы исследования
закономерностей распространения радиоволн. М.: Наука, 1977. С.57-
60.
35. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Курганов Р.А., Носова Г.Н.
Горизонтальные размеры облаков Es и скорости их движения по
данным эксперимента, проведенного на радиолинии Салехард-Тюмень //
Ионосферные исследования. М.: Советское радио, 1978. № 26. С. 64-
68.
36. Жулина ЕМ., Курганов Р.А., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н.
Влияние аврорального поглощения на численность метеорных
отражений // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18. №4. С. 734-737.
37. Kerblay T.S., Nosova G.N., Minullin R.G., Kurganov R.A.,
Nasirov A.M., Leshenko N.V. Experimental investigations of Es-
signals for radio paths about 1000 km long // International
symposium on radio waves and the ionosphere. URSI, Programme and
Abstracts. Helsinki, 1978. P. 21.
38. Керблай Т.С., Козлов Е.Ф., Лещенко Н.В., Минуллин Р.Г.,
Подольская Т.Я., Насыров A.M., Носова Г.Н., Саморокин Н.И.
Результаты экспериментального исследования KB-сигналов, отраженных
слоем Es // Траекторные характеристики коротких радиоволн. М.:
ИЗМИРАН, 1978. С. 41-49.
39. Керблай Т.С., Курганов Р.А., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н.
Оценка точности метода расчета напряженности поля fis-сигналов по
экспериментальным данным // Траекторные характеристики коротких
радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1978. С. 91-97.
40. Document C.C.I.R. Study Groups. Period 1974-78. Study
Programme. Doc. 6/251. USSR.
41. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Макаренко С.Ф., Насыров
A.M., Носова Г.Н., Подольская Т.Я. Об азимутальных углах
радиоволн, отраженных слоем Es // Вопросы распространения радиоволн в
высоких и средних широтах. М.: ИЗМИРАН, 1979. С. 71-77.
42. Минуллин Р.Г., Курганов Р.А., Лещенко Н.В. Особенности
длительных отражений сигналов на метеорно-ионосферной линии
Салехард-Тюмень // Метеорное распространение радиоволн. Казань:
Казан, ун-т, 1979. №14. С. 50-54.
43. Козлов Е.Ф., Лещенко Н.В., Минуллин Р.Г., Насыров A.M.,
Полозов В.Л., Саморокин Н.М., Ягнов Н.Н. Характеристики
длительных метеорных отражений на радиолинии Архангельск-Казань // Мете-

орное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1979. № 14.
С. 115-119.
44. Минуллин Р.Г., Подольская Т.Я. Определение числа гармоник
в аналитическом описании медианных значений предельных частот
слоя Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан,
ун-т, 1980. №15. С. 93-97.
45. Минуллин Р.Г. Закономерности вариаций медианных значений
предельных частот слоя Es в средних широтах // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1980. № 16. С. 32-48.
46. Минуллин Р.Г., Подольская Т.Я. Аналитическое описание
вариаций /о£$мед // Метеорное распространение радиоволн. Казань:
Казан, ун-т, 1980. №16. С. 26-32.
47. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Михайлова Н.Б., Носова Г.Н.,
Панненко В.А., Панюта М.Н., Патоков Л.Ф., Суслов Л.П. Анализ
комплексного эксперимента по исследованию сигналов, отраженных
слоем Es на линии Москва - Одесса // Дифракционные эффекты
коротких радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1981. С. 12-18.
48. Керблай Т.С.Минуллин Р.Г., Носова Г.Н., Мадиев Н.Г. О
коэффициентах отражения от спорадического слоя Е на частоте 9 МГц
// Практические аспекты изучения ионосферы и ионосферного
распространения радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1981. С. 105-110.
49. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Михайлова Н.Б., Носова Г.Н.,
Панюта ИМ., Патоков Л.Ф., Суслов Л.П. Экспериментальные
исследования коэффициента отражения слоя Es при наклонном падении //
Ионосферное прогнозирование. М.: Наука, 1982. С. 157-161.
50. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Мадиев Н.Г., Носова Т.Н. Об
одном из способов распространения коротких радиоволн в сумеречный
период на радиолинии Москва - Казань // Распространение декамет-
ровых радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1982. С. 5-15.
51. Document C.C.I.R. Study Groups. Period 1978-82. Study
Programme 30 B36. Doc. 6/249-4. USSR.
52. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Носова Т.Н., Панненко В.А.,
Панюта Н.И. О распределении азимутальных отклонений радиоволн при
отражении от слоя Es // Исследование условий распространения
радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1983. С. 12-17.
53. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Щерстюков О.Н.
Статистические характеристики ионосферных неоднородностей на частотах
выше МПЧ // Тезисы докладов XIV Всесоюзной конференции по
распространению радиоволн. Ленинград: Наука, 1984. Часть I. С. 89-90.
54. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И. Длительность существования
радиоотражений от слоя Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т.25.
№5. С. 853-855.

55. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. Проявление F-рассеяния в
декаметровом диапазоне // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25.
№5. С. 856-858.
56. Минуллин Р.Г. Азимутальные углы прихода радиоволн,
отраженных слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. №4.
С. 547-551.
57. Минуллин Р.Г. Вероятность появления слоя Es при наклонном
зондировании // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26. №4. С.541-
546.
58. Минуллин Р.Г. Распознавание неоднородностей,
обусловленных метеорами и слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26.
№5. С. 718-722.
59. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.Н. Связь
параметров foEs и foF2 // Метеорное распространение радиоволн.
Казань: Казан, ун-т, 1987. №20. С. 53-58.
60. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.Н. Способы
распространения радиоволн на метеорно-ионосферных трассах //
Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1987.
№20. С. 58-68.
61. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Петров Л.М., Сапаев А.Л.,
Сюняев Р.З., Уткина Т.И., Шерстюков О.Н., Меткий А.И. Приемный
модуль цифрового ионозонда на базе микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28"
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1987. №20. С. 81-87.
62. Минуллин Р.Г. Вероятностная модель среднеширотного слоя
Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1987. №20. С. 87-120.
63. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. F - рассеяние при наклонном
зондировании // Ионосферное исследование. М.: 1987, №42. С. 77-
80.
64. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Овезгельдыев О.Г., Радченко
Т.П. Спорадический слой Е и его роль в ионосферном
распространении радиоволн // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по
распространению радиоволн М.: Наука, 1987. С. 7-8.
65. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.Н. Закон
секанса для слоя Es / / Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по
распространению радиоволн. М.: Наука, 1987. С. 57.
66. Kerblay T.S., Minullin R.G., Nazarenko V.I., Nosova G.N.,
Sherstyukov O.N. Signals reflected from different type Es layers
// Acta Geod. Geoph. Mont. Hung. 1987. V. 22. (1-2). P. 221-226.
67. Kerblay T.S., Minullin R.G. Amplitude and frequency
characteristics of the Es layer at oblique incidence souding // Acta
Geod. Mont. Hung. 1987. V. 22. (1-2). P. 227-231.

68. Минуллин Р.Г. Траекторные характеристики радиоволн,
отраженных слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 1.
С. 26-32.
69. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. Коэффициент отражения от
слоя Es на трассе Москва - Казань // Известия вузов. Радиофизика.
1988. Т. 31. №6. С. 669-674.
70. Минуллин Р.Г. Аналитическое описание вариаций предельных
частот среднеширотного слоя Es // Ионосферные исследования. М.:
1988. №44. С. 46-47.
71. Минуллин Р.Г.. Назаренко В.И., Шерстюков О.Н. Высоты и
коэффициенты отражения от слоя Es // Ионосферные исследования.
М.: 1988. № 44. С. 48-55.
72. Minullin R.G., Nazarenko V.I., Sherstyukov O.N. Effective
values of Es type irregularities // Second Globmet symposium,
abstracts. M.: IGK, 1988. P. 16.
73. Minullin R.G., Sherstyukov O.N., Sapayev A.L., Nazarenko
V.I., Metkii A.I., Syunyaev R.Z., Akchyurin A.D., Madiyeva T.I.
Digital ionospheric complex "Cyclone-5" // Second Globmet
symposium, abstracts. M.: IGK, 1988. P. 25.
74. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.Н., Сюняев
Р.З. Круглосуточная радиосвязь на постоянной частоте декаметрово-
го диапазона // Электросвязь. 1988. №11. С. 14-17.
75. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. Отражающая способность слоя
Es при наклонном зондировании // Геомагнетизм и аэрономия. 1988.
Т. 28. №6. С. 965-968.
76. Минуллин Р.Г. Периодичности в вариациях медианных
значений предельных частот слоя Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1988.
Т. 28. С. 969-975.
77. Минуллин Р.Г. Прогностическая радиофизическая модель
среднеширотного спорадического слоя Е. Дисс. ... докт. физ.-мат.
наук. Казань. Казан, ун-т. 1988. 465 с.
78. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И. Высоты слоя Es //
Ионосферные исследования. М.: МГК, 1989. №46. С. 101-108.
79. Минуллин Р.Г., Шерстюков В.И., Сапаев А.Л., Назаренко
В.И., Меткий А.И., Сюняев Р.З., Акчурин А.Д. Цифровой ионосферный
комплекс "Циклон" // Ионосферные исследования. М.: МГК, 1989.
№46. С. 109-115.
80. Minullin R.G., Nazarenko V.I., Sherstyukov O.N. Space-
time model of the mid-latitude sporadic £-layer of the basis of
vertical sounding data. Document CCIR Study Groups. Period 1986-
1990. Document 6/195-E. USSR. 1989.
81. Минуллин Р.Г. Модель среднеширотного спорадического слоя

E // Тезисы докладов X Всесоюзного семинара по математическому
моделированию ионосферы. Казань, 1990. С. 45.
82. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. Напряженность поля
радиоволн, отраженных слоем Es // Тезисы докладов XVI Всесоюзной
конференции по распространению радиоволн. Харьков. 1990. Ч. I. C.97.
83. Минуллин Р.Г. Суточно-сезонные вероятности появления слоя
Es при наклонном зондировании // Геомагнетизм и аэрономия. 1991.
Т. 31. №5. С. 813-822.
84. Минуллин Р.Г. Вероятность появления ^-сигналов при
наклонном зондировании в зависимости от их амплитуды и длительности
существования // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31. №5.
С. 823-827.
85. Document C.C.I.R. Study Groups. Period 1990-1994. Doc.
WP6E/2-E8. New applied model of the mid-latitude sporadic E layer
for calculating HF and VHF propagation probability. 1991. P. 1-9.
86. Минуллин Р.Г. Коэффициент отражения от слоя Es на разных
частотах зондирования // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32.
№1. С. 65-70.
87. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.Н. Помехи
естественного происхождения в KB и УКВ радиоканалах // Сборник
докладов Международного симпозиума по электромагнитной
совместимости. Санкт-Петербург. 4.1. 1993. С. 259-264.
88. Минуллин Р.Г. Экспериментальные исследования
распространения радиоволн за счет слоя Es // Тезисы докладов XVII
конференции по распространению радиоволн. Ульяновск, 1993. Сек. 1, 1а, 2.
С. 57.
89. Minullin R.G. Probability of S.W. and U.S.W. Propagations
of £s-layer Reflection // XXIV General Assembly of the
International Union of Radio Science (URSI). Abstracts. Kyoto. Japan.
1993. P.293.
90. Minullin R.G. Model of the Mid-Latitude Sporadic E Layer
// XXIV General Assembly of the International Union of the Radio
Science (URSY). Abstracts. Kyoto. Japan. 1993. P. 294.
91. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И. Связь между
радиоотражениями от метеорных следов и от слоя Es // Геомагнетизм и аэрономия.
1994. Т. 34. С. 114-120.
92. Minullin R.G., Nazarenko V.I. Influence of the Sun on
Height of Ionospheric Sporadic E Layer // VIII International
Symposium on Solar Terrestrial Physics. Dedicated to Solar
Terrestrial Energy Program (STEP). Abstracts. Sendai. Japan. 1994. P. 182.
93. Minullin R.G. Influence of the Sun on Limiting
Frequencies of Ionospheric Sporadic E Layer // VIII International Sympo-

sium on Solar Terrestrial Physics. Dedicated to Solar Terrestrial
Energy Program (STEP). Abstracts. Sendai. Japan. 1994. P. 182.
94. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н., Сапаев А.Л., Назаренко
В.И., Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю. Цифровой ионосферный комплекс
"Циклон-9". Казань, Казан, ун-т. Депонировано в ВИНИТИ. 1994.
№1518-В94.
95. Akchyurin A.D., Minullin R.G., Nazarenko УЛ.,
Sherstyukov O.N., Sapaev A.L. The Ionospheric Complex "Cyclon" // Iono-
sonde Networks and Station. Proceedings of XXIV General Assembly
of the URSI-93. National Geophysical Data Center. USA. 1995.
P. 35-36.
96. Minullin R.G., Sherstyukov O.N., Nazarenko УЛ., Sapaev
A.L., Akchyurin A.D., Zykov E.Y. The Routine Diagnosis of
Ionosphere for the Short-term Forecast of S.W. and U.S.W. Propagation
// Ionosonde Networks and Station. Proceedings of XXIV General
Assembly of the URSI-93. National Geophysical Data Center. USA.
1995. P. 75-76.
97. Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю., Макаров Н.А., Минуллин Р.Г.,
Портнягин Ю.А., Шерстюков О.Н. Влияние динамики нижней термосферы
на появление спорадического слоя Е // Геомагнетизм и аэрономия.
1995. Т. 35. №2. С. 123-129.
98. Minullin R.G. Radiophysical model of sporadic Е- layer //
XX General Assembly of the European Geophysical Society. Hamburg.
Germany. Annales Geophysicae. Supplement. 1995. Vol. 13. P. C647.
99. Minullin R.G., Nazarenko V.J. Heights of sporadic E- layer
// XX General Assembly of the European Geophysical Society.
Hamburg. Germany. Annales Geophysicae. Supplement. 1995. Vol. 13.
P. C647.
100. Minullin R.G., Akchurin A.D., Sherstyukov O.N., Zykov
E.Yu. The Effect of the Semiduirnal Tide on the Formation of Spo-
radic-£ layer // XXI General Assembly of the International Union
of Geodesy and Geophysics. Boulder. USA. 1995. P. B233.
Л1. Harnischmacher E. Structure and dynamics of the upper
atmosphere. Developments in Atmospheric Science. Amsterdam. 1974.
1. 221 p.
J12. Sprenqer K. Diurnal and seasonal variations of occurrence
of sporadic E-layers over central Europe // Gerlands Beitr. Geo-
physic. Leipzig. 1981. V. 90. №4. S. 305-315.
ЛЗ. Baggaley W.I. Seasonal characteristics of daytime Es
occurrence in the southern hemisphere // J. Atmos. and Terr. Phys.
1985. V.47. №6. P. 611-614.
Л4. Bodo R. Die bedeutung von echos an der sporadischen E-
£4

schicht bei impuls-fernubertragung uber 1700 km (Athen-Breisach)
// Arch, electr. Ubertrag. В 19 H7. S. 361-371.
Л5. Triskova L. Meteor forward scatter statistics // Geofisi-
calni sbornik. XVIII. 1970. №342. P. 485-523.
Л6. Ашкалиев Я.Ф. Распространение коротких радиоволн через
слой Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1969. Т. 9. № 1. С. 168-169.
Л7. Mija К., Sasaki Т. Characteristics of ionospheric E
propagation and calculation of Es signal strength // Radio Sc. 1966.
V. 1. №1.
Л8. Bailey D.K., Bateman R., Kirby R.C. Radio transmission at
VHF by scattering and other process in the lower ionosphere //
Proc. IRE. 1955. V.43. №10. P. 1181-1231.

О.Г.Овезгельдыев, Г.В.Михайлова
МОДИФИКАЦИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ АНАЛИТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ СЛОЯ Es В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ШИРОТ
Спорадический слой Е оказывает существенное влияние на
надежность и качество радиосвязи. В случаях, когда частоты,
отражающиеся от слоя Es, значительно превышают максимально применимую
частоту регулярных слоев ионосферы, слой Es позволяет осуществить
радиосвязь на относительно высоких частотах, включая и УКВ
диапазон. С другой стороны, слой Es, экранируя вышележащую область
ионосферы, часто может быть причиной нарушения радиосвязи через
регулярные слои ионосферы. Поэтому учет влияния слоя Es на
распространение радиоволн является важной научной и практической
задачей.
Для решения этой задачи в ФТИ АН ТССР на основе комплексного
изучения структуры и физики слоя Es, закономерностей
пространственно-временных вариаций и обобщения большого массива
экспериментальных данных, накопленных в мировой сети ионосферных станций
(использованы экспериментальные данные ~ 60 ионосферных станций)
за период 8-10 лет, разработана глобальная аналитическая модель
спорадического слоя Е [1-6]. Модель позволяет количественно
оценить роль этого сложного аномального образования ионосферы в
распространении радиоволн на радиотрассах произвольной протяженности
и ориентации для любой заданной частоты, времени суток и года.
Модель основана на вероятностно-статистических методах и
аналитически описывается следующей формулой
PEs > fv = PEs[l-<b(U)},
где PEs - общая вероятность появления слоя Es, fv - эквивалентная
частота вертикального зондирования, Ф(Ю - интегральная функция
нормального распределения, значения которой затабулированы [7].
В случае определения вероятности отражения от Es
у = \Rfv-\RfoEs
а '
I&fOEs
а при определении вероятности экранирования
v _ Izfv-lgfbEs
°\ gfbEs
Таким образом модель описывается пятью параметрами: PEs -
общая вероятность появления слоя Es, lg foEs - среднее значение
логарифма предельной частоты отражения, lg fbEs - среднее значе-

ние логарифма частоты экранирования, о. - среднеквадратичное
отклонение логарифма foEs и о - среднеквадратичное
отклонение логарифма fbEs. При исследовании параметров модели в
зависимости от времени суток, сезона года, широты и долготы места
наблюдения и от рада других гелиогеофизических факторов показано,
что для практики радиосвязи достаточно ограничиться учетом таких
наиболее существенных закономерностей как суточная и сезонная
зависимости и зависимости от широты и долготы места наблюдения,
так как влияние остальных гелиогеофизических факторов на слой Es
обычно меньше, чем случайные флуктуации слоя ото дня ко дню.
Каждый из параметров модели аппроксимируется в виде гармонического
ряда
з
aQ(S,x)+ Y. [an(x)cos(nO+bn(x)sin(nO],
72=1
где 8 - склонение Солнца, t - местное поясное время,
х = arctg-рУУг-
VCOS if
- модифицированная координата, / - геомагнитное наклонение, <р -
географическая широта.
Следует подчеркнуть, что постоянный коэффициент aQ зависит
от сезона года и от координаты х, а коэффициенты переменных
составляющих а и Ь только от х. Это делает модель более ком-
71 71
пактной и упрощает ее практическое использование.
Значения коэффициентов разложения определены по
экспериментальным данным мировой сети ионосферных станций, находящихся в
северном полушарии, приводятся в 10 компактных таблицах для пяти
параметров модели. В широтной зоне х=5-80° значения коэффициентов
разложения приводятся с шагом через 5°, а в экваториальной зоне
1=0-5° и в зоне полярных сияний и выше х=80-90° - с шагом 2°.
Показано, что в области высоких широт х»80° координата
недостаточно корректно описывает вероятностный характер слоя Es, так
как она не описывает положение станции относительно овала
полярных сияний. В связи с этим проведена модификация глобальной
аналитической модели слоя Es в области высоких широт. Как известно,
высокоширотные геофизические явления контролируются геомагнитным
полем. Поэтому закономерности пространственного распределения
становятся более простыми, если при их описании пользоваться не
географическими координатами, а исправленными геомагнитными
проекциями на земную поверхность полярной системы координат из
плоскости геомагнитного экватора вдоль силовых линий геомагнитного
поля. Поэтому в области высоких широт модифицированная координата
х заменена полярными координатами (местное магнитное время - ис-

правленная геомагнитная широта Ф', которая описывает положение
станции относительно овала полярных сияний) [8].
Образование спорадического слоя Е в высоких широтах в
значительной степени зависит от уровня магнитной активности [9].
Поэтому для высоких широт значения коэффициентов разложения
задаются в полярных координатах одновременно для двух уровней индекса
магнитной активности К , то есть магнито-спокойных (К =0,1) и
Р Р
магнито-возмущенных (К >3) условий.
Гармоническому анализу были подвергнуты экспериментальные
данные 14 высокоширотных ионосферных станций, находящихся на
различных широтах западного и восточного полушарий от $'=57°N до
f'=90°JV. Для каждой станции в отдельности для 5 параметров модели
определены коэффициенты разложения ряда Фурье в зависимости от
полярных координат для магнито-спокойных и магнито-возмущенных
условий. Переход от поясного времени к местному осуществляется по
формуле
t -t =А.-Л'-69
71 м 15 15
Л - географическая долгота пункта наблюдения, Л' - исправленная
геомагнитная долгота.
Пересчет географических координат в исправленные
геомагнитные может быть осуществлен с помощью программы, разработанной в
НИИДАР (Николаев) или по таблицам Брюнелли Р.Е. [10].
Методом скользящего среднего определены коэффициенты
разложения ряда Фурье для следующих исправленных широт Ф'=57, 60, 64,
68, 70, 74, 78, 84°N, для которых была осуществлена контрольная
проверка. Для этих исправленных широт были проведены модельные
расчеты вероятностных характеристик слоя Es, которые были
сравнены с непосредственно экспериментальными данными для PEs>3 МГц и
PEs>5 МГц для двух уровней индекса магнитной активности. Такое
сравнение было проведено для каждой станции, входящей в модель
для высоких широт. В качестве примера на рис. 1-4 приведены
результаты сравнения модельных расчетов с экспериментальными
данными для ст. Подкаменная Тунгуска (Ф'=56,3°), Кируна (Ф'=63,8°). Из
сравнения видно, что для всех станций характерно довольно
хорошее совпадение результатов модельных расчетов с экспериментом.
Расхождение составляет ~ 15-20 процентов.
Как показано в [6], разработанная модель имеет свойство
обращения, а именно, чтобы использовать ее в южном полушарии,
достаточно задать временной сдвиг на полгода по отношению к
северному полушарию. В южном полушарии модельные расчеты были сравнены
с экспериментальными данными трех станций: Мирный Ф'=76,9 5, Хал-
летт Ф'=77,8°5 и Восток Ф'=84,3°5 для PEs>3 МГц и PEs>5 МГц для

Р£5>ЗМГи,
0,6-
ОЛ-
0,6-
o,z-
<p'r57°
Л
Ш
Ш
■Г'1"1,'Т*Г'ГТ',Т'.,|'
if 8 72 76 20 Ч 8 72 75 20
Местное магнитное бремя, ч
Рис. 1. Модельные и экспериментальные расчеты PEs>3 МГц для ст.
Подкаменная Тунгуска Ф'=57° для магнитно-спокойных условий:
сплошная линия - модельные расчеты, точки - экспериментальные
значения
двух уровней индекса магнитной активности. Модельные расчеты
также были сравнены с экспериментальными данными Лулео Ф'=61,4 N и
Колледж Ф'=64,9°#. Расхождение между моделью и экспериментом для

РЕ8>ЗМГц
1^41°
Ф'=57
fr 8 11 15 20 Ц- 8 11 16 20
Местное магнитное время ,ч
Рис. 2. Модельные и экспериментальные расчеты PEs>3 МГц для ст.
Подкаменная Тунгуска Ф'=57° для магнитно-возмущенных условий:
сплошная линия - модельные расчеты, точки - экспериментальные
значения
станций южного полушария и для Лулео и Колледж - 15-20 %.
Необходимо отметить, что экспериментальные данные ст. Лулео и
Колледж, а также данные трех станций южного полушария не были
использованы при разработке модели для высоких широт. Это говорит о

S —I—I 1—I—I—I—I 1 1—I r~l—'—I I ■ ■ I ■ r
x
ч 8 11 1В 20 4 8 12 16 20
Местное магнитное бремя, ч
Рис. 3. Модельные и экспериментальные расчеты PEs>3 МГц для ст.
Кируна Ф'=64° для магнитно-спокойных условий: сплошная линия -
модельные расчеты, точки - экспериментальные значения
том, что модельные расчеты не зависят от того, использовались ли
ранее экспериментальные данные данной ионосферной станции при
разработке модели или нет.

i i I V.i. ГУ i i i i
I i i 'г^.т»^' i i i
Ж
•••'••
i i i^Vi'T'i i i
<ъ 0,6
Qj
5
о
* 0,1- t 'У>^.
' ' ' it*i i i i i
•/^^^^^^^^^^^^^^^^^^^•^ЛшятшЛ'^^штт^Ш'^тштшт
§ 0,6
E? 0?\- ?>*-^_—<^*
<3Q
I i 'pyT^TT'i i i
0,6
0,1
ж
«N%
~ i i Vч^тгп<Г»Г i i i
0,6
0.1-
Ж
i_J ■ r*i«««.i« i i i l
4 8 12 16 20 4- 8 11 16 20
Местное магнитное бремя, ч
Рис. 4. Модельные и экспериментальные расчеты PEs>3 МГц для ст.
Кируна Ф'=64° для магнитно-возмущенных условий: сплошная линия -
модельные расчеты, точки - экспериментальные значения.
Как показано в [2], для средних и низких широт для всех пяти
параметров модели при определении коэффициентов разложения ряда
Фурье мы ограничились первыми тремя составляющими разложения
(Jb=3). Но так как расхождение между моделью и экспериментом для

высоких широт немного больше, чем для средних и низких широт, мы
рассчитали пять коэффициентов разложения ряда Фурье для высоких
широт (к-5), провели сравнение результатов модельных расчетов с
экспериментом при к-3 и Jfc=5 для всех станций для PEs>3 МГц и
PEs>5 МГц для магнито-спокойных и магнито-возмущенных условий.
Такое сравнение показало, что модельные расчеты при Jfc=3 и к=5
очень мало отличаются. Таким образом и для высоких широт
достаточно ограничиться к=3, что упрощает использование модели на
практике.
Необходимую вычислительную работу можно выполнять как
вручную, так и с использованием ЭВМ. Программа расчета составлена для
ЭВМ типа ЕС на языке Фортран.
Abstract
A global analytical model that adequately describes
experimental data of the both vertical-incidence sounding and oblique
incidence propagation in the latitudinal zone z=0±80°, where z is
a modified coordinate, has been developed for taking into account
the Es layer effect on radio-wave propagation. However, the z
coordinate does not describe a probabilistic character of the Es
layer quite correctly for the high latitude region z»80°.
Therefore, the polar coordinates (local magnetic time - a corrected
geomagnetic latitude) are used instead of the z coordinate in the
high latitude region. Model calculation results have been
compared with vertical-incidence sounding experimental data for 14
high latitude stations. The discordance between model and
experiment is -15-20%.
Список литературы
1. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es-l // Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук.
1976. №3. С. 65-72.
2. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es-ll // Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук.
1976. №6. С. 48-55.
3. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es-lU // Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук.
1977. №6. С. 48-52.
4. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es-lV // Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук.
1981. №5. С. 40-50.

5. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es-V // Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук.
1983. №6. С. 24-29.
6. Овезгельдыев О.Г., Михайлова Г.В. Глобальная
аналитическая модель спорадического слоя Е для практики радиосвязи //
Известия АН ТССР. Сер. ФТХиГ наук. 1985. №6. С. 23-25.
7. Янко Я. Математико-статистические таблицы. М.: Госстат-
издат, 1961. С. 243.
8. Фельдштейн Я.И. Пространственно-временное распределение
магнитной активности в высоких широтах северного полушария //
Геомагнетизм и аэрономия. Т. 3. 1963. С. 63.
9. Щука Т.И. Спорадическая ионизация в нижней ионосфере //
Ионосферно- магнитные возмущения в высоких широтах. Л.: Гидроме-
теоиздат, 1986. С. 163-203.
10. Брюнеяли Б.Е. Таблицы исправленных геомагнитных
координат. Л.: ААНИИ, 1967.

Н.И.Двинских , Н.А.Чернобровкина
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ Es
Когда нас интересуют радиотрассы, проходящие в одном
ограниченном регионе, желательно иметь региональную модель ионосферы,
которая бы, с одной стороны, была достаточно простой в
использовании и, с другой стороны, детально отражала
пространственно-временные особенности данного региона.
Ниже излагается используемый нами подход к построению
региональных эмпирических моделей параметров ионосферы и приведен
пример построения моделей параметров слоя Es: foEs - предельной
частоты слоя и fbEs - частоты экранирования слоем Es для японского
региона по медианным значениям данных ВЗ на станциях.
Построение моделей основано на разложении представительной
для данного региона выборки месячных медиан ионосферного
параметра в ряд по естественным ортогональным функциям (ЕОФ). Метод
разложения по ЕОФ и его применение к ионосфере подробно изложены в
[1]. Основное преимущество метода по сравнению с разложением по
любой другой системе заданных функций состоит в его оптимальности
в смысле скорости сходимости ряда, то есть в наиболее компактном
представлении закономерностей разлагаемого параметра.
Общая схема построения эмпирической модели параметров
спокойной ионосферы следующая. Собирается представительная выборка
суточных ходов медианных значений параметра /, содержащая в себе
различные сезоны, уровни солнечной активности и расположение в
рассматриваемом регионе. С помощью трехкратного разложения по ЕОФ
параметр / представляется в виде: [1]:
'i Ч 'з
f{t,stR,<p,k) =11 lX(t)Y XS)Z (R)V MX), (l)
где
X^t) - ЕОФ первого разложения, характеризующие суточный ход
параметра / в зависимости от местного времени t «=1,2,... ,п);
У{.(5) - ЕОФ второго разложения, описывающие годовой ход / в
зависимости от S - номера месяца или сезона;
2..А(Я) - ЕОФ третьего разложения, показывающие изменчивость
/ от уровня солнечной активности R, характеризуемого индексом
F{0 ? или цюрихским числом Вольфа R •

V. .,(<p,A) - коэффициенты разложения, характеризующие величи-
ну вклада соответствующих компонент разложения в полное поле
параметра / и зависящие в общем случае от широты <р и долготы Я;
1уЛ2^з ~ количество учитываемых членов 1, 2 и 3 ряда, не
превосходящее количества отсчетов по t, s и Л соответственно.
Таким образом, с помощью (1) параметр /, зависящий от
четырех переменных (суточная, сезонная, циклическая и географическая
переменные) представлен в виде конечной суммы произведений
четырех функций, каждая из которых зависит только от одной
переменной. Порядок разделения переменных не имеет значения, но объем
выборки при каждом разложении должен быть больше числа точек
задания выделяемой ЕОФ. Естественные функции являются
нормированными, а коэффициенты разложения содержат в себе дисперсию
разлагаемого поля.
Количество учитываемых членов ряда в каждом разложении
зависит от скорости сходимости ряда и выбирается из соображений
максимального сжатия исходных данных и описания всех полезных
физических свойств поля. При этом происходит фильтрация случайного
шума, присутствующего в данных по разным причинам. Необходимо по
виду ЕОФ и по величине вклада компонент найти ту границу, которая
оптимальным образом отделяет полезную информацию от случайных
флуктуации.
Естественные функции получаются в виде табличных значений в
заданных точках отсчета. Для нахождения значений ЕОФ в
промежуточных точках достаточно воспользоваться линейной интерполяцией
по соседним узлам. Если для решения каких-либо задач требуется
непрерывность производных, то для интерполяции используются
соответствующие сплайн-функции.
Коэффициенты разложения Vi.k(<p,X) в общем случае зависят от
двух координат - широты и долготы, но часто достаточно выбрать
одну оптимальную координату (например, наклонение Л, отражающую
основной пространственный ход параметра. Для более полного
описания пространственных вариаций параметра / в заданном регионе
можно воспользоваться методом оптимальной интерполяции [2]. Он
состоит в том, что значение интерполируемой функции (в нашем случае
- коэффициентов разложения) в заданной произвольной точке региона
находится как средневзвешенное значение этой функции на ближайших
станциях наблюдения, причем веса определяются из статистических
свойств автокорреляционной матрицы интерполируемой функции.
На основе вышеизложенной методики нами построены
эмпирические модели параметров foEs и fbEs для японского региона.
Разложение для этих параметров в форме (1) было получено по месячным

медианным значениям, полученным на четырех станциях ВЗ: Вакканай
(45,4°С.Ш., 141,7°В.Д.), Акита (39,7°С.Ш., 140,1 °В.Д.), Кокобунд-
зи (35,7°С.Ш.. 139,5°В.Д.), Ямагава (31,2°С.Ш., 130,7°В.Д.) для
четырех уровней солнечной активности: F10?=72 (1964 г.), 118
(1971 г.), 149 (1968 г.) и 230 (1958 г.).
Значения ЕОФ и коэффициентов разложения параметров foEs и
fbEs для ij=5, !2=2, i3=l сведены в таблицы.
МГц
6\-
Ц-
г
6
ч
г
б
ч-
_Ш 1966г. F10fi = 36 мги,-Ш 1970г' Г«.7=^в
- Я
fob,
i I i П ■ i I ■ » ■ I ■ i i I i i i I i i i IQ
I I I t I I I I | I I I I i I I I I I I I Q
i i i I i i i I ■ ii I i i i I i i i I ■ ■ i I g
i i i t ■ i i I i i « I i i i I i i i I i ■ i |Q
■ i i I i.i i I i i i I i i i I i i i I i i i I
S*
•». г
i i i I i i i I i i I I i i i I i i i I i i i I
б
i i i I ■ i i I i i i I i i i I i i i I i i i I
0 4 8 12 16 Z0LT,4 0 4 8 1Z 16 10 LT,4
a 5
Рис. 1. Суточный ход медианных значений fo=Es для Ямагавы, Коко-
бунзи, Акиты, Вакканай: а - для Fl0 7=96; б - F10?=148. Сплошная
линия - эксперимент; штриховая - данная модель; штрих-пунктирная
- модель [3]. Сплошная линия - расчет, крестики - эксперимент

Проверка точности построенных моделей foEs и fbEs
осуществлялась по тем же станциям, но для лет, данные которых не
участвовали в разложении (1966, 1970 гг.). Результаты сравнения
иллюстрируются рис.1, где сплошной линией показаны суточные хода
экспериментальных медианных значений, а пунктирной - синтезированные
значения по построенным моделям. Здесь же для сравнения штрих-
пунктнрной линией нанесены суточные хода foEs, восстановленные
для тех же условий по модели [3]. (Значения fbEs модель [3] не
дает.)
На рис. 1 видно, например, что для декабря 1970 г. обе
модели достаточно точно описывают экспериментальные данные, а для
июня 1966 г. модель [3] дает систематическое занижение.
Общая среднеквадратичная ошибка (СКО) по всей
рассматриваемой проверочной выборке составила для foEs по нашей модели 0,57
МГц, а по модели [3] 0,73 МГц. Для fbEs наша модель дает СКО=0,40
МГц.
Abstract
A method for constructing regional empiric models of the
ionospheric parameters is described and examples of these models
construction are presented for the sporadic E layer parameters,
such as: limiting frequency foEs and frequency of sounding fbEs.
The models are constructed for the Japanese region according to
median values of these parameters measured at vertical-incidence
souding stations.
Список литературы
1. Двинских Н.И. Разложение полей ионосферных характеристик
по естественным ортогональным функциям // Препринт №9-87.
Иркутск: СибИЗМИР, 1987. 28 с.
2. Гандин Л.С. Объективный анализ метеорологических полей.
Л.: Гидрометеоиздат, 1963. 287 с.
3. Минуллин Р.Г. Вероятностная модель среднеширотного слоя
Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Изд-во
Казанского ун-та, 1987. №20 С. 87-120.

М.А.Кутимская, А.В.Кулижский
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЯВЛЕНИЯ ТОНКОГО
СРЕДНЕШИРОТНОГО СЛОЯ Es С КОРРЕКЦИЕЙ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ
Кажется очевидным, что наиболее адекватно описывать
спорадический слой Е будут те модели, в которых содержится информация о
процессах, определяющих поведение основных параметров слоя Es, a
также информация, включающая накопленные экспериментальные данные
по foEs, fbEs, h'Es, из которых наиболее регулярные - данные
архива ВЗ. Такому требованию удовлетворяют детерминированные модели
с коррекцией по экспериментальным данным. Предлагается модель,
детерминированная часть которой представляет собой совокупность
уравнений непрерывности для основных ионных компонент 0+, NO+,
О*, включая металлические ионы Mg+, уравнение теплопроводности
для ионов и электронов с температурами Г£ и Tg соответственно,
уравнения, описывающие нейтральный ветер и ветровой сдвиг.
Уравнение непрерывности для атомарного иона 0+ имеет вид
И
д,
►IOU . q-,+\D(iio^ + ioiX\siniI _
dt l ' l l dh HQ*J
1. dh H+J dh
if el
R0 ...
Уравнение непрерывности для молекулярных и металлических
ионов:
Э[М»]__, _Э([М»]1у
dt ь 2 3h •
Уравнение движения для зональной и меридиональной
составляющей нейтрального ветра:
SS.*vtu-fv = F+Zj-Ц,
dt in u Pdh2
^ + v. v- fv = F +£^£.
dt tn v Pdh2
Уравнение теплового баланса для электронного газа:
ЭТ ,r dsin2I dT 2xdT л
е _ Am -L + - -
dt cl е е ЭЛ dh Д„ dh Г
о
Здесь: q - источники; / - потери; HQ+ - шкала высот для О*;
D - коэффициент ионной диффузии; / - магнитное наклонение; и -

меридиональная скорость ветра, направленная на юг; v - зональная
скорость ветра, имеющая положительное направление на восток; Л -
высота; /=2nsinp - параметр силы Кориолиса Ш=7,23-10~5рад/с -
угловая частота вращения Земли); <р - географическая широта в
радианах; v£n=2,7-10~ ■^T~nNe - частота столкновений ионов с
нейтралами; ^=1,3-10" т/Т~^ - коэффициент вязкости; р - плотность
газа;
gh ЭГ gh ЭГ
F = - — -; F = -——■ -
" R0Tnd? ' v QR0Tncos<p dt
- движущие силы, обусловленные градиентами давления нейтральной
атмосферы: д=950 см-с" - ускорение силы тяжести на уровне 100
км, Д0=6,37'10см - радиус Земли; Т - температура нейтрального
газа; vD=ucos I sin I - скорость вертикального дрейфа плазмы; Q
- скорость нагрева электронов; L£ - скорость охлаждения
электронов; х - коэффициент теплопроводности; с=1,29-10"47V .
Концентрация озона принималась как в [1]
[033 = 107exp[-(/i-100)2/l,3H2],
где Я - шкала высот нейтральной атмосферы.
Скорость возмущения для ветрового сдвига задавалась в виде:
vE$(h) = v0Eexp[-(h-hEs)2/a2]s\n(khh),
где vQ =13-24 м/с - амплитуда скорости сдвиговой волны; hEs=W7
км - высота, на которой образуется Es; a - параметр затухания
ветра; к - волновое число в сдвиговой волне.
Параметры а и к , управляющие толщиной слоя, выбирались с
учетом быстроты изменения скорости ветра по высоте. Высотное
распределение концентрации атомов металла задается гауссовой
зависимостью, нормированной на полное содержание металла MgT (5-108см~3)
[1], т.е.
Mg(ft) = Mg0exp[-(A-105)2/(1,2H)2],
где
Mg0 = MgT/j%x^[-{h-\Q5)2/{\,2H)2}dh.
Предполагается, в силу малой изученности временных вариаций [03],
[Mg], что представленные выше распределения не зависят от
времени.
Исходная математическая модель представляет собой систему
взаимосвязанных уравнений, численное решение которых на ЭВМ
проводится последовательным счетом каждого уравнения в отдельности,
причем неизвестные величины параметров модели берутся из предыду-

щей итерации. Шаг по времени 1 ч, по высоте переменный. В области
высот от 90 до 120 км шаг выбирается равный 2 км. Для решения
применялся метод прогонки по неявной схеме [2].
На нижней границе (90 км) задавались условия фотохимического
равновесия. На верхней границе (1500 км) для [О*], Те задавался
поток с учетом плазмосферного резервуара заряженных частиц и
тепла. Днем поток направлен в плазмосферу, ночью - в ионосферу. Для
[Mg+] и [М+] полагалось, что поток отсутствует на верхней границе
- 500 км). Для нейтрального ветра полагалось, что на верхней
границе отсутствует передача импульсов за счет вязкости, на нижней -
из системы исключается член вязкости и решение принимается равным
локальному.
Анализ решений при различных v0E показал, что при увеличении
vQE значения концентрации в максимуме слоя Es возрастают, а его
толщина уменьшается. С уменьшением а уменьшается и полутолщина
слоя. Однако при а«2 км генерация слоя Es прекращается. Это
связано, возможно, с тем, что при малых а параметры сдвиговой волны
резко меняются по высоте и существенно отличаются от 0 в узкой
полосе высот. Источники разрушения слоя, такие как резкие
градиенты концентрации и реакции перезарядки ионов металлов с 03,
преобладают над источником генерации слоя - ветром.
Далее производилась коррекция полученных профилей по
эмпирической модели спорадического слоя Е [3, 4]. Эмпирическая модель
строилась методом разложения параметров PEs, foEs и fbEs по
естественным ортогональным функциям времени и координаты, подробно
изложенным в работе [5]. В число факторов включаются: местное
время t, среднемесячный уровень солнечной активности и
трехчасовые к индексы. Построение модели ведется поэтапно. При
аппроксимации временной зависимости использовался метод разложения полей
данных в ряд по естественным ортогональным функциям времени х .
Имеем поле экспериментальных данных
4о
jn{t,k,F) = ZbnAk,F)xAt),
р J=1 » р *
где п - номер эксперимента, г - индекс, определяющий час суток,
iQ число компонент разложения по t.
Для модели выбрано 19 переменных: 1-18 - трехчасовые
значения к - индексов (за ~ 50 часов до исследуемых суток) и
девятнадцатая - Fl01 (среднемесячные значения солнечной активности).
В качестве исходных данных выбирались ежечасные значения
параметров foEs, fbEs и PEs для 33 станций ВЗ земного шара. Первая
естественная ортогональная функция по своему виду и вкладу в
разложение (95-97%) отождествлялась нами с суточными вариациями па-

раметров Es. Далее находились естественные ортогональные функции
от координаты у^(Ф). Использовался ряд:
где Ф = arctg(tg//Vcosl>) - модифицированная магнитная широта,
j0 - число компонент разложения по Ф.
На следующем этапе с помощью метода шагового регрессионного
анализа находились регрессионные зависимости (таблица)
ка • VJ.f
где aQ - свободный коэффициент разложения, Ф^Л,) - переменные.
На последнем этапе решалась обратная задача, которая
заключалась в нахождении параметров слоя Es по ортогональным функциям
времени и широты и регрессионным коэффициентам
1=1^=1*=0 г
На рис. 1 представлены суточные вариации параметра fbEs,
найденные из модели и из эксперимента. Следует отметить, что
представленная модель лучше описывает средние широты, во-первых,
потому, что набор станций больший по объему для этого региона и,
во-вторых, по-видимому, для средних широт нет большого разброса в
типах Es. В широтном ходе fbEs, параметра, характеризующего
тонкую структуру слоя (рис. 2), можно отметить тенденцию к росту с
широтой, как в северном, так и в южном полушариях. Провалы на
широте 45° N в поведении fbEs можно объяснить следующим образом.
Если считать, что ветровой сдвиг вызывается
акустико-гравитационными волнами, имеющими, кроме прочих, два регулярных источника
[6) - высыпания в авроральной области и сверхзвуковое движение
терминатора, - то можно предположить, что к 40-45% происходит
затухание волны от полярного источника и затем за счет волны от
терминатора амплитуда выравнивается. Провалы на широтах ~65°S и
на ~75°N, возможно связаны с существованием главного ионосферного
провала, обусловленного полярным ветром, конвективными
электрическими полями, несовпадением географического и геомагнитного
полюсов. Провал в области экватора следует за изменением
интенсивности экваториальной электроструи.
На рис. 3 показаны профили N с коррекцией по fbEs.
Корректирующим параметром являлась концентрация Mg. Данная модель может
использоваться для отдельных реализаций N(h) профилей с учетом
тонкого слоя Es при заданных вероятностях в узлах KB-радиотрасс.

6
1
№
■ i i i i i i i
Якутск
**хх BVeaate
5
4
3
1
ЛЪ
->>
+*ъУ
i i i i i
СберЭлобск
*~****^
^Ч
-J—1 Л 1 1, 1 LT
.МГц
Singapore fg£s /в ^s
1—I—I I I—l_J l__L
J—I I '■
0 3 7 11 15 19 23
Argentine Is
t-xxx
0 3 7 11 15 19 23
РисЛ. Суточные вариации частот экранирования, июнь, средняя
солнечная активность. Сплошные линии - модель; крестики - эксперимент
f8ESf мГц
В5Л 45' 25° 5° 5° 25° Ч5Ш 65°
Рис. 2. Широтный ход fbEs, полученный по модели
85° V

Таблица
Параметры регрессионной модели
Параметр
foEs
fbEs
foEs
fbEs
Месяц
июнь
июнь
март
март
Дисперсия
0,565
0,524
0,44
0,42
Ошибка
0.02
0.12
0.12
0.01
0.428
0.052
Коэф-т
0.055
0.41
-0.23
0.41
0.14
0.14
Факторы
F -19
к -9
к -7
F -19
к -3
к -3
10е Не,см'3
W3 10* 10s Ne,CM-3
Рис. 3. Высотный профиль N£ с коррекцией по экспериментальным
данным: а - дневные условия, 1 - нулевая итерация, 2 - первая
итерация, 3 - вторая итерация; б - ночные условия, 1 - первая
итерация, 2 - вторая итерация, 3 - третья итерация, 4 - четвертая
итерация

Abstract
For describing a thin sporadic E layer a model consisting
of deterministic and statistic parts is proposed. The
deterministic part is a solution of continuity equations for main ionic
components including magnesium ions allowing for wind shift. The
statistic part is based on the decomposition of field data PEs,
foEs, fbEs, hEs according to natural orthogonal functions of time
and coordinate. A numerical model is corrected by a statistic
one. The model can be used for forecasting and calculating of
profiles N(h) containing a thin layer Es at nodal points of
shortwave radio-ways.
Список литературы
1. Кореньков Ю.Н. Влияние движений в нейтральной атмосфере
на сезонно-суточное поведение слоя Es // Геомагнетизм и аэрономия.
1979. Т. 23. №1. С. 27-33.
2. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных
уравнений. - М.: Наука, 1978. 592 с.
3. Кутимская М.А., Пенькова Е.И. Статистическое описание
параметров среднеширотного Es для гибридной модели ионосферы //
Тезисы доклада XIV Всесоюзной конференции по распространению
радиоволн. Ленинград, 1984. С. 45-46.
4. Кутимская М.А. Моделирование основных параметров
спорадического слоя Е ионосферы. Иркутск: Изд-во Иркуткс. уни-та, 1987.
ПО с.
5. Кутимская М.А., Гудкова Т.В. Регрессионная модель
индексов рассеянных отражений. Иркутск: Изд-во Иркуткс. ун-та, 1987.
192 с.
6. Кутимская М.А. Автоволны в активных средах любой природы.
Иркутск: Изд-во ИГУ, 1987. 30 с.

II. ВЛИЯНИЕ СЛОЯ Es НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Т.С.Керблай, Г.Н.Носова
СПОРАДИЧЕСКИЙ СЛОЙ Е И ЕГО РОЛЬ
В ИОНОСФЕРНОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН
Спорадический слой Е является одним из наиболее сложных
образований в ионосфере. Несмотря на то, что этот слой интенсивно
изучается уже в течение многих лет, имеется целый ряд не решенных
до сих пор задач, связанных с природой этого слоя, его
структурой, ролью в распространении радиоволн метрового и декаметрового
диапазонов.
До настоящего времени далеко не всегда учитывается слой Es
при оценке характеристик радиосигналов, распространяющихся
посредством отражения от слоев ионосферы и рассеяния на ионосферных
неоднородностях. Причиной этого, возможно, является термин
"спорадический", который вводит в заблуждение. Тогда как существуют
периоды суток, сезоны, области земного шара, где вероятность
появления слоя Es с достаточно высокими плазменными частотами
достигает 80-100% в течение нескольких часов, и повышается
вероятность существенного изменения траектории радиоволн и других
характеристик. При этом диапазон рабочих частот, на распространение
которых может влиять появление слоя Es, достаточно широк, он
охватывает частоты от 10 МГц и до 150 МГц (в отдельных случаях и
выше).
Основные сведения о слое Es получены с помощью
экспериментальных исследований следующими методами: 1) вертикальное
зондирование, 2) ракетные измерения высотного профиля заряженных
частиц, 3) некогерентное рассеяние, 4) радиолокация облаков Es, 5)
наклонное зондирование.
Структура слоя Es. Уже на ранних стадиях исследования слоя
Es наличие на ионограммах полностью экранирующих вышележащие слои
следов Es и полупрозрачных следов с групповым запаздыванием и без
запаздывания дало основание предполагать разнообразие структур
слоев Es. Это подтверждается многими видами экспериментов -
ракетным зондированием, радиолокацией и др.
На рис. 1 приведены профили электронной концентрации слоя
Es, зарегистрированные с помощью ракеты [1] в 8 час. 45 мин. 5
апреля 1965 г. в точке с координатами 29 градусов Ю.Ш. и 75
градусов З.Д. (рис. 1а) и в 12 час. 14 мин. 12 апреля 1965 г. в
точке с координатами 58 градусов Ю.Ш. и 78 градусов З.Д. (рис. 16).
Видно, что слой Е может представлять собой тонкий слой (рис. 1а)

и слой с резким нарастанием величины электронной концентрации
(рис. 16). На обоих рисунках непрерывной линией обозначены
электронные профили, регистрировавшиеся во время подъема ракеты, и
штриховой линией - во время спуска ракеты. Это довольно типичные
вертикальные структуры слоя Es.
72 П
Рис. 1. Профили электронной концентрации слоя Es
по ракетным данным
На рис. 2 показана регистрация пространственно-временной
структуры слоя Es, полученная с помощью радара со сканированием
по азимуту [2]. Сложность структуры слоя Es отличает его от
регулярных слоев ионосферы и проявляется в локальности (на расстоянии
больше 100 км корреляция параметров слоя мала), быстрой
изменчивости (в течение 5-10 мин могут существенно измениться
характеристики слоя), полупрозрачности. В качестве моделей структуры
слоя Es, каждая из которых может быть пригодна в отдельных
случаях, можно принять следующие: тонкий слой, высокий вертикальный
градиент в нижней части слоя, облачная структура с
горизонтальными масштабами неоднородностей от тысяч до единиц километров, при
этом одновременно могут присутствовать облака нескольких
масштабов и крупномасштабная структура может включать более мелкие
неоднородности.
Вариации параметров слоя Es. На мировой сети ионосферных
станций методом вертикального зондирования для слоя Es измеряются
предельная частота foEs, частота экранирования jbEs, действующая

Расстояния бдо/ib дуги сканирования , км
Азимутальный угол, °
Электронная плотность Е$-105см'3
□ 0,6-1,2 Ш 1,2-1,8 (Шке-гД Ш ^-3,0 ■ 3,0-3,6 ^ нет данных
Рис<2. Регистрация пространственно-временной структуры слоя
Es, полученная с помощью радара со сканированием по азимуту
высота h'Es. Эти параметры явились основой для получения
представлений о суточных, сезонных и глобальных вариациях слоя Es.
Поскольку статистический разброс параметров слоя Es велик
даже для определенных условий измерений, то закономерности слоя
Es имеют статистический характер. Если для слоя F2 верхний децкль
foFl превышает медиану в среднем на 15%, то для слоя Es
аналогичная величина составляет 50%. Поэтому для характеристик слоя Es
наряду с медианой используется вероятность появления слоя с
foEs»3 МГц, *5 МГц, *7 МГц. Несмотря на большое статистическое
рассеяние отдельных значений суточные, сезонные, широтные
вариации параметров слоя Es ясно выражены. При этом характер их
суточных и сезонных вариаций различен в разных широтных зонах. В
высоких широтах слой Es наблюдается чаще в ночное время, в средних и
экваториальных широтах слой Es проявляется наиболее активно в
дневное время [3, 4]. На рис. 3 приведены примеры суточных
вариаций предельных частот foEs в высоких, средних и экваториальных

широтах (Ф - геомагнитная широта) [4]. Наибольшие изменения
характерны для области аврорального овала, (Ф=63 градусам), а также
зоны магнитного экватора, где появляются типы слоя Es, сильно
отличающиеся от среднеширотных. Суточный ход вероятности появления
Es в средних широтах и авроральной зоне имеет обратный вид;
суточный ход в полярной шапке по форме близок к среднеширотному, но
меньше по амплитуде и по абсолютным значениям. Сезонная вариация
(I.VIJX) вероятности появления слоя Es с максимумом летом
наиболее выражена для средних широт [4].
г -
МММ
I
Туле
''■■'''■ Ф = 88°С
6г-
г
о
1
О
10
8
6
Н-
г
X/ \ Г Л Г аш
Диксон
63°С
XI I I <-!
МММ!
Москба
Уанкайо
Ф = 0,6°С
JLL
I м I l
u_
mJaietJbmmJLmmmiEKm
О 8 16 24 0 8 16 24 0 8 16 20 24 LT,4
Рис. 3. Примеры суточных вариаций предельных частот foEs
в высоких, средних и экваториальных широтах
Вариации параметров слоя Es от года к году велики, однако
непосредственная зависимость от уровня солнечной активности
часто не просматривается. Зависимость от уровня магнитной возмущен-
ности для типов Es, характерных для авроральной зоны, прямая и
ясно выражена; для средних широт и полярной шапки - обратная и
слабая [4, 5].

Различия в вариациях слоев Es, относящихся к разным широтным
зонам, являются следствием их различной природы. В настоящее
время общепризнанной теорией образования слоя Es в средних широтах
является теория ветровых сдвигов, развитая Данжи и Уайтхедом [6,
7], основная идея которой состоит в том, что в атмосфере на
уровне слоя Es (высоты 90-130 км) имеются ветры, меняющие свое
направление с высотой. Ветер увлекает находящиеся на этих высотах
ионы, которые, двигаясь в магнитном поле Земли, подвергаются
электромагнитному дрейфу и концентрируются в виде тонких слоев.
Иная причина образования слоев Es в авроральной зоне. Здесь
основным источником спорадической ионизации являются
высокоэнергичные электроны, высыпающиеся во время магнитных возмущений, что
определяет тесную связь аврорального Es с геомагнитными
возмущениями [5].
Модели слоя Es. Экспериментальные данные о вариациях слоя Es
о его географическом распределении, о законах статистического
распределения его параметров позволили создать модели параметров
слоя Es, построенные на статистической основе и предназначенные,
главным образом, для практических целей.
Первая модель пространственно-временных вариаций параметров
слоя Es (PEs и PbEs для foEs = fbEs = 3 МГц) в глобальном
масштабе в виде карт была опубликована Т.С.Керблай в 1964 г. [3].
Материалом для составления карт [3] послужили данные наблюдений слоя
Es на мировой сети ионосферных станций за период 1957-1960 гг.
Модель [3] позволяет рассчитывать условия радиосвязи за счет слоя
Es в декаметровом диапазоне волн.
Для оценочных расчетов вероятности радиосвязи за счет слоя
Es в метровом диапазоне волн можно использовать методику японских
исследователей [8], впервые опубликованную в 1966 г., и затем
после многочисленных доработок и изменений принятую в качестве
методики МККР [9]. В основу методики [9] положены многолетние
исследования распространения радиоволн на серии экспериментальных
радиолиний, которые показали, что напряженность поля в точке
приема зависит от предельной частоты слоя Es, зарегистрированной при
ВЗ в центре радиолинии. Для определения предельных частот и
вероятности появления отражений от слоя Es на данной частоте в работе
[9] приведен набор кривых распределения foEs и набор суточных
ходов величин foEs, наблюдающихся с различной вероятностью для
различных регионов земного шара: Европы и Северной Африки (per.
А), Северной Америки (per. В) и Азии (per. С).
Исследования последующих лет [10, 12], показали, что
материалы [9] не охватывают всего многообразия вариаций foEs. В

частности, недостаточно точно оценивается суточный ход foEs в
субавроральных областях. Кроме того, материалы региона С (Азия)
относятся к Юго-восточной Азии, а пункты, лежащие в азиатской
части СССР в средних и субавроральных широтах характеризуются
вариациями foEs, близкими к регионам А и В.
Сравнение расчетов по методикам [3] и [9] с
экспериментальными данными, полученными с помощью станции ВЗ, установленной на
борту НИС "Академик Курчатов", в различных районах Атлантического
и Тихого океанов в период с января по апрель 1977 г., показало,
что точность определения характеристик слоя Es по методике [3]
больше, чем по методике [9] для всех районов, за исключением
экваториальной области [10].
В ФТИ Туркменской ССР О.О.Овезгельдыевым с сотрудниками была
создана глобальная модель параметров слоя Es в
таблично-аналитическом виде [11]. Она состоит из описания распределения частотных
параметров слоя Es (foEs и fbEs) логарифмически нормальным
законом
PEs(f>f3KB) = PBsU-UU)],
где PEs - общая вероятность появления слоя Es, /экв -
эквивалентная частота вертикального зондирования, Ф(#) - функция
нормального распределения
п ш 1к/экв-1е/Ы?5, „ а 'g/3KB-lg/ogg
1 algfbEs l °ltfoEs
Зависимость этих параметров от времени суток и сезона
аппроксимируется рядом Фурье, коэффициенты которого заданы в виде таблиц.
Сравнение расчетных суточных ходов вероятности появления
отражений от слоя Es на частоте 27,8 МГц на экспериментальной
радиолинии Салехард-Тюмень (лето 1972 г.), полученных на основании
методик [3] и [9], показало [12], что расчеты по обеим методикам
близки между собой. Однако в дневные часы расчет несколько ниже
экспериментальных данных.
В Воронежском университете разрабатывается вероятностная
модель параметра foEs, которая основывается на распределениях
Вейбулла [13, 14].
Вероятность появления слоя Es в высоких широтах описывается
модельно ААНИИ, представленной в графическом виде [5].
Вариации вероятности появления слоя Es в средних широтах
описаны в модели, разработанной в Казанском университете Р.Г.Ми-
нуллиным [15-18]. Модель имеет полностью аналитический вид, в ней
используются распределения foEs, аппроксимированные усеченным
модифицированным распределением Рэлея. Модель базируется на
исследованиях автора методами вертикального и наклонного зондирований

слоя Es в течеиие 1959-89 гг., позволяет рассчитывать вероятность
появления слоя Es и его частотные параметры для заданного времени
суток, сезона, года в солнечном цикле, для заданных
географических координат. А также позволяет рассчитывать условия радиосвязи
за счет слоя Es в декаметровом и метровом диапазонах волн с
учетом технических данных заданной радиолинии.
Перечисленные модели слоя Es позволяют оценить вероятность
появления отражений от слоя Es или медианные значения его
частотных параметров. Для того, чтобы ввести слой Es в расчет траектор-
ных характеристик сигнала или же произвести теоретическую оценку
поля сигнала, нужно иметь модель структуры слоя Es.
Как следует из ракетных профилей (см. рис. 1 и 2),
распределение электронной концентрации в слое Es с высотой N(h) в
большинстве случаев имеет вид тонких прослоек, часто наблюдаются
большие высотные градиенты. Тонкий слой и слой с высоким
градиентом электронной концентрации могут быть аналитически представлены
в виде слоя Эпштейна, для которого коэффициенты отражения
выражаются аналитически [19]. В ряде случаев можно воспользоваться
формулами Френеля.
Облачная структура слоя Es в первом приближении может быть
представлена некоторой квазипериодической функцией. В [20, 21]
дана комбинированная модель, включающая горизонтальную
неоднородную структуру и слой Эпштейна по вертикали:
N = ^иф-Азт^ + фкоз^ + ф]],
NAz) = Nm 4 e'[ 2, эе=1.75/£,
где х, у, z - декартовы координаты с началом в максимуме слоя, Nm
- средняя электронная концентрация на уровне максима слоя, (#та=
=afbEs), I и I - масштабы вдоль осей х и у, соответственно, <р и
xf> - фазовые смещения, определяющие положение периодической
структуры относительно начала координат, £ - полутолщина тонкого слоя,
величина к характеризует амплитуду изменения электронной
концентрации в горизонтальной плоскости.
На рис. 4а приведена проекция на плоскость ху линий равных
значений / на уровне 2=0, рассчитанных по формуле (1) при #=0,5,
/0=2 МГц, х=0,87 км"1, /, = 100 км, *2=25 км, ^>=^=0. На рис. 46
показан разрез распределения / в плоскости xz при у=0. На рис. 4в
приведен разрез высот поверхностей равных fN для заданной модели
вдоль направления радиолинии, которая составляет угол у=45 с
направлением оси х. Анализ рис. 4 показывает, что с помощью
рассматриваемой модели могут быть получены основные свойства слоя

Es: облачная структура, значительная изменчивость параметров в
горизонтальной плоскости, что находится в хорошем согласии с
экспериментальными данными. Кроме того, использование в модели
(1) тонкого слоя дает возможность получить одну из важных
характеристик Es - диапазон полупрозрачности.
Модель (1) описывает не какую-то застывшую структуру, а
поскольку известно, что слои Es движутся в горизонтальном
направлении
«г-
o.se,
*н1*о-1
СС^М;^
ifsvs
- V^s- U.BSJ
0251,
s?--~^-^~~1»lf0=0,75
•чС_ 0,651.)
0,51,
MW5
fNjf0»1
0,752,
0,1
y=tz/8
*N 1*0 = 0,1
Рис. 4. Распределение плазменных частот / в горизонтальной
и вертикальных плоскостях, полученное по модели (1)
нии, то фазовые смещения <р и у могут быть выражены через скорость
движения Es следующим образом:
2л:у t
2nv t
JL
I
I.

где vx и v - составляющие скорости движения слоя Es по осям х и
у, соответственно.
Пределы применимости рассмотренной модели довольно широки.
Она может служить и для описания изолированных облаков (путем
введения ограничений по г и у), и для описания квазипериодической
неоднородной структуры. Поскольку координаты хну связаны с
самой неоднородной структурой, ориентация ее относительно
магнитного поля, географических или других координат осуществляется путем
поворота на угол у относительно систем координат, связанных с
поверхностью земли. Введение в фазу координаты z дает возможность
ориентировать структуру в вертикальной плоскости, введение
времени, как показано выше - дает учет перемещения структуры. На
основании модели (1) в ИЗМИРАН разработана методика расчета траектор-
ных характеристик распространения радиоволн, отражающихся от слоя
Es [21], и оперативная методика оценки углов возвышения и
азимутальных углов [22, 23] с помощью углов наклона поверхностей
равных электронных концентраций. Методику [22, 23] можно
использовать для различных целей. Во-первых, она выгодна для
интерпретации результатов экспериментов по исследованию характеристик
сигналов при наклонном распространении радиоволн. Особенно
эффективно применение методики в случае, когда ионосфера в области
отражения контролируется с помощью станции ВЗ, данные которой
позволяют оценить некоторые параметры модели (1): величину
электронной концентрации в максимуме слоя Es, значение параметра К,
эффективные размеры слоя Es. Во-вторых, методика [22,23] может
быть использована с целью прогнозирования характеристик сигнала,
отраженного от слоя Es на основании прогноза параметров (NQ, К,
/j, 1г, х), входящих в модель (1) [24].
Возможность применения аналитических выражений [19] для
горизонтально неоднородных слоев была исследована в [25]. Получен
критерий применимости квазиоднородного приближения
(l-sin<pQ)l/X > 4.
Количественная оценка показала, что для Я«30 м при масштабе
неоднородности />10 км критерий будет выполняться для всех возможных
дальностей скачкового распространения (80 >р0>0, где <pQ - угол
падения радиоволн на слой).
Влияние облачной структуры слоя Es на траекторные
характеристики отраженных радиоволн учитывается в модели слоя Es,
разработанной в Казанском университете [18]. В рамках этой модели
через эффективные наклоны участков отражения на облаках слоя Es
рассчитываются азимутальные углы, углы возвышения и время
распространения отраженных сигналов [26-28].

Распространение радиоволн при наличии слоя Es
Перечисленные особенности слоя Es, модели вариаций
параметров слоя и его структуры, все имеющиеся представления о слое
должны быть учтены при определении роли слоя Es в распространении
радиоволн метрового и декаметрового диапазонов. Однако решающие
сведения о характере распространения радиоволн через слой Es
могут быть получены только из результатов экспериментов.
В настоящее время накоплен материал экспериментальных
исследований по распространению радиоволн через слой Es. Эксперименты
по наклонному зондированию на серии фиксированных частот были
проведены в США, Японии, СССР.
Эксперименты, проведенные в Японии, послужили основным
материалом для создания методики расчета поля отраженного от слоя Es
сигнала [8, 9], принятой в МККР и предназначенной, главным
образом, для радиоволн метрового диапазона.
Большая серия экспериментов была проведена сотрудниками
Казанского университета в 1960—87 гг. (на ряде линий совместно с
ИЗМИРАН) [27-35]. Целью экспериментов было определение МПЧ Es,
изучение поля сигнала, характера фединга, коэффициента отражения
и в отдельных экспериментах - изучение углов прихода, формы
отраженного импульсного сигнала. Совместные экспедиции Казанского
университета и ИЗМИРАН были оснащены ионосферными станциями,
которые устанавливались в центре трассы и способствовали
достоверной интерпретации полученных данных. Одним из основных
результатов проведенных экспериментов в 1972 г. на линии Салехард-Тюмень
было подтверждение [30] вывода Тржисковой и Самарджиева [38] о
том, что МПЧ Es>foEs-sec<p, в дальнейшем это положение было
развито в работах [16, 30, 32, 36, 47].
Структура слоя Es значительно отличается от структуры
регулярных областей ионосферы. Поэтому эффекты слоя £5 в
распространении радиоволн более разнообразны. В одних случаях появление
слоя Es на радиолинии может расширить диапазон применимых частот
вплоть до /~100 МГц [22,39-41], в других случаях может
затруднять распространение радиоволн, являясь помехой при работе
телецентров и других радиосистем [13, 14, 41]. В Воронежском
университете в течение многих лет проводилось исследование
статистических характеристик метровых радиоволн, отраженных от слоя Es,
путем сверхдальнего приема телевизионных сигналов [13, 14].
Исследования показали, что продолжительность сверхдальнего
телевизионного приема изменяется в широких пределах, от нескольких
минут до 5-6 часов. Характер вероятности сверхдальнего приема

телевизионных сигналов подобен вероятности появления слоя Es в
области отражения, и зависит, кроме того, от протяженности трассы.
Достаточно эффективной является связь за счет отражений от
слоя Es в авроральных и субавроральных областях во время
возмущений [5, 40].
Поле сигнала, отраженного от слоя Es. Появление слоя Es в
области отражения ради волн метрового диапазона, как правило,
приводит к увеличению напряженности поля в точке приема. В
исследованиях [8,42] установлена эмпирическая зависимость потерь при
распространении радиоволн через слой Es от величины отношения
f/foEs (/ - рабочая частота сигнала, foEs - предельная частота
слоя Es, измеренная в средней точке радиолинии).
Для частот декаметрового диапазона однозначно такого вывода
сделать невозможно. В работе [43] приводятся результаты измерения
напряженности поля радиоволн на радиолиниях протяженностью ~3000
км в периоды, когда рабочая частота превышала МПЧ по слою F2.
Показано, что слой Es, через который осуществлялось распространение
радиоволн, воздействовал двояко. В одних случаях появление слоя
Es приводило к ослаблению, в других - к увеличению уровня поля
радиосигнала. При вертикальном падении сигнал, отраженный от
области F, показывает значительные всплески амплитуды,
сопровождающиеся быстрыми фазовыми изменениями, в периоды, когда
непосредственно в конусе первой зоны Френеля появляются облака Es [44].
Исследование интенсивности отраженного от Es сигнала на
радиолинии протяженностью ~ 1000 км [45,46] показывает, что имеет
место зависимость амплитуды принимаемого сигнала от действующей
высоты слоя Es, зарегистрированной станцией ВЗ в центре
радиолинии, причем максимальные значения амплитуды наблюдаются при
h'Es~ 110 км. Кроме того, в том случае, когда на ионограмме ВЗ
одновременно отмечаются два следа Es с разными высотами,
амплитуда сигнала, отраженного от верхнего слоя Es, на частоте 12 МГц
определяется, в основном, поглощением в нижележащей области
ионосферы; амплитуда сигнала с частотой 20 МГц в значительной степени
зависит от параметров нижнего слоя Es.
Анализ экспериментальных данных, проведенный в работах [37,
32-34], показывает, что поле радиосигналов, отраженных слоем Es,
близко по среднему уровню « полю сигналов, отраженных слоем Е.
Однако диапазон наблюдаемых значений поля шире в случае
^-отражений, что, в основном, связано с участием рассеянной компоненты.
Изучение характеристик фединга сигнала [29, 31] также указывает
на наличие интенсивных отраженных сигналов в одних случаях и
сигналов, несущих признаки рассеянных, - в других. Вышесказанное
является следствием сложной структуры слоя Es.

Имеется метод расчета интенсивности поля отраженного от слоя
Es сигнала [91, разработанный на базе ранних японских работ [8J в
рамках Международного Консультативного Комитета по радиосвязи
(МККР). Этот метод, в основном, направлен на учет отражений от
слоя Es как мешающих сигналов. Проверка этого метода на
материалах эксперимента [12] показала его среднюю удовлетворительную
точность для высоких рабочих частот используемого диапазона и
большие погрешности для декаметрового диапазона из-за неучета
поглощения радиоволн.
Как метод расчета поля Fs-сигналов [9], являющейся в
настоящее время наиболее известным, так и другие методы (например,
развитый в Казанском университете [18]) базируются на эмпирических
данных. Это иногда вызывает определенные ограничения, особенно
при переносе метода в регионы, где эксперименты в диапазоне
рабочих частот не проводились.
Азимутальные углы прихода радиоволн, отраженных от слоя Es.
Экспериментальные данные, полученные на радиолиниях, показывают,
что при распространении радиоволн через слой Es значения
азимутальных углов прихода (а) колеблются в достаточно широких
пределах [8, 23]. Причем имеет место, в основном, два вида
распределения а. Один - это узкое распределение (например [23]),
большинство углов в котором заключено от +1 до -1 градусов. Второй тип -
широкое распределение (углы могут меняться от +6 до -б и более
градусов). В ряде случаев максимум распределения сдвинут
относительно нулевого значения. Интерпретация экспериментальных данных
по методике [22, 23], которая разработана на основе модели (1) и
которая позволяет оценить азимутальные отклонения через углы
наклона поверхностей равной электронной концентрации, показала
следующее. Разные виды распределений связаны, очевидно, с различием
в структуре спорадических образований, ответственных за
распространение радиоволн. Первый тип распределений обусловлен тонкими
(£<2 км) и крупными по горизонтали (Z-100 км) облаками Es. Второй
связан с .Es-слоями, имеющими более мелкомасштабную структуру.
Сдвиг относительно нулевого значения может быть вызван
анизотропией облаков Es, причем величина сдвига зависит от угла между
направлением вытянутости самого облака Es и направлением
радиолинии.
Максимальные частоты при отражении от слоя Es. Анализ
экспериментов по наклонному зондированию на скользящей частоте [39,
40], проведение специализированных экспериментов на опытных
радиолиниях [8, 26-38, 44], прием дальних телевизионных
передатчиков [13, 14], изучение радиолюбительских связей [41] показывают,

что слой Es отражает радиоволны декаметрового и метрового
диапазонов. Экспериментами в низких, средних и высоких широтах охвачен
диапазон рабочих частот от 10 до 150 МГц. При оценке максимально
применимых частот, отражающихся от слоя Es, МПЧ Es, обычно
используют простое соотношение МПЧ Es=KfoEs sec <p, где <р - угол
падения на слой, К - коэффициент, зависящий от технических
параметров аппаратуры и структуры слоя Es, foEs - предельная частота
слоя Es, зарегистрированная в центре трассы. В тех случаях, когда
порог чувствительности аппаратуры ионосферной станции и
радиолинии близки, коэффициент К не должен существенно отличаться от
единицы. Однако экспериментальные данные дают значения #=1,1-1,6
и даже более, если использовать материалы наблюдений
радиолюбителей [41]. Так при sec^=4-5 и достаточно больших foEs=lO-l5 МГц
имеем #=2-3,5. Существенное превышение эмпирических значений МПЧ
Es над расчетными, особенно в случае экспериментов [29, 31, 34,
37, 38, 41, 45], очевидно связано с некоторой условностью понятия
величины МПЧ Es по сравнению с МПЧ регулярных слоев. Условность
термина МПЧ Es заключается в том, что в отличие от МПЧ регулярных
слоев, максимальная частота отражений от слоя Es зависит от
структуры слоя (тонкий слой, градиентный слой, неоднородная
структура и др.). Во всех этих случаях коэффициент отражения от
слоя Es не падает на несколько порядков при переходе рабочей
частоты через максимальную плазменную частоту слоя, как это имеет
место для регулярных слоев, а изменяется плавно с частотой. Этим
объясняется и зависимость максимальной частоты, отражающейся от
слоя Es, и вероятность появления iJs-отражений на трассе от
технических характеристик применяемой аппаратуры [16]. Поэтому МПЧ Es
должна определяться минимальными значениями поля, при котором
имеет место уверенный прием сигнала. При этом разным пороговым
значениям поля будут соответствовать разные коэффициенты К из
выражения, приведенного выше. Величина коэффициента К зависит от
высоты слоя и от рабочей частоты [45].
Следует еще отметить, что в настоящее время при оценках МПЧ
Es высота слоя Es принимается средней ~ НО км [3]. В
действительности же высота слоя Es меняется, что может приводить к
большим ошибкам в оценках угла падения на слой и приводить к
значительным ошибкам в МПЧ Es, иногда до 50% [45].
Заключение
Строение слоя Es в виде сложных неоднородных структур
различной плотности и протяженности, большая изменчивость его харак-

теристик вызывают целый ряд особенностей при отражении радиоволн
от этого слоя. Следовательно, учет слоя Es необходим при оценке
условий ионосферного распространения радиоволн.
Эффекты, вызываемые слоем Es, можно условно разделить на
группы: 1) приводящие к улучшению условий распространения
радиоволн и 2) создающие помехи в функционировании радиосистем.
Первая группа эффектов более характерна для радиоволн дека-
метрового диапазона. Сюда можно отнести расширение диапазона
применимых частот за счет МПЧ J?s»Mn4 F2, увеличение поля полезного
сигнала (например, многоскачковые отражения от слоя Es с
траекториями типа М и N в зоне аврорального поглощения, позволяющие
радиоволне миновать максимум этой зоны).
Вторая группа эффектов проявляется в диапазоне метровых
радиоволн (/=30-150 МГц). Так, распространение через Es
телевизионных сигналов на расстоянии 1-2 тысячи км от телецентра создает
помехи для местного телевидения, а также для других радиосистем,
работающих в этом диапазоне. И наоборот, связь на УКВ-рассеянии и
другие УКВ-радиосистемы могут создавать помехи телевидению на
расстоянии до 2-х тысяч км.
Возможность связи через Es в диапазоне метровых радиоволн,
как правило, не используется из-за малых вероятностей этого
способа распространения. Однако в летнее время в средних и низких
широтах есть возможность создания систем связи (в нижней части
диапазона рабочих частот) с накоплением информации и передачей ее
при благоприятных условиях.
Необходимо ввести учет слоя Es в методиках расчета
параметров сигнала, отраженного от ионосферы, в прогнозах максимально
применимых частот и уровня поля. Имеющиеся методики расчета МПЧ
Es и напряженности поля, отраженного от слоя Es радиосигнала,
требуют дальнейшего совершенствования.
Abstract
The present-day models of the Es layer parameters
constructed on statistic basis and intended, mainly, for practical aims
are described.
Based on experimental researches, the Es layer effects that
cause an improvement in the conditions of radio-wave propagation
as well as the effects that create interferences in radio system
functioning are discussed.
The attention is drawn to the necessity of the Es layer
effect account in methods of the calculation of signal parameters

reflected of the ionosphere and in the forecast of maximum used
frequencies and field levels.
Список литературы
1. Smith G.S., Mechily E.A. Rocket observation of sporadic
Es layers // Radio science 1972. V. 7. №3. P. 367-376.
2. Miller K.L., Smith L.G. Incoherent scatter radar
observation of irregular structure in mid - latitude sporadic E layers
// J. Geop. Res. 1978. V. 83. №A8. P. 3761-3775.
3. Керблай Т.С. Инструкция по расчету частот коротковолновой
радиосвязи, отражающихся от слоя Es. - М.: Наука, 1964. 72 с.
4. Керблай Т.С. и др. Основы долгосрочного
радиопрогнозирования. М.: Наука, 1969. 68 с.
5. Ионосферно-магнитные возмущения в высоких широтах. Л.:
Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.
6. Dungey I.W. The influence of the geomagnetic field as
turbulence in the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1956. Vol.8
№1. P. 39.
7. Whitehead I.D. Formation of the sporadic E layer in the
temperate zones // Nature. 1960. №188. P. 567.
8. Mija K., Sasaki T. Characteristics of ionospheric Es
propagation and calculation of Es signal strength // Radio Sci. 1966,
Vol. 1. №1. P. 99-108.
9. Method for calculating sporadic E field strength. CCIR
XV-th Plenary Assembly. Geneva. 1982. Doc. 6/1038. 20 p.
10. Керблай Т.С, Васильев К.Н., Васильева Т.Н. Анализ
статистических распределений параметров слоя Es по материалам
наблюдений НИС "Академик Курчатов" // Траекторные характеристики
коротких радиоволн. Сб. науч. тр. М.: ИЗМИРАН, 1978. С. 98-110.
11. Овезгельдыев О.О., Михайлова Г.В. Эмпирическая модель
среднеширотного слоя Es. UI.III.IV // Изв. АН ТССР, сер. физ.-
техн. хим. и геол. наук. 1976. №3. С. 65-72; №6. С. 48-55;
1977. №6. С. 48-52; 1981. №5. С. 40-50.
12. Керблай Т.С, Курганов Р.А., Минуллин Р.Г., Носова Т.Н.
Оценка точности метода расчета напряженности поля .Es-сигналов по
экспериментальным данным // Траекторные характеристики коротких
радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1978. С. 91-97.
13. Охремчик С.А., Радченко Т.А. Статистическое описание
канала связи через слой Es / / Тезисы докладов XIV Всесоюзной
конференции по распространению радиоволн. М.: Наука, 1984. Ч. 1. С.65-
66.

14. Радченко Т.А. Статистическая модель канала связи через
ионосферный слой Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26. № 1.
С. 88-92.
15. Минуллин Р.Г. Закономерности вариаций медианных значений
предельных частот слоя Es в средних широтах // Метеорное
распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1980. №16. С. 32-48.
16. Минуллин Р.Г. Вероятность появления слоя Es при наклонном
зондировании // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26. №4. С.541-
546.
17. Минуллин Р.Г. Вероятностная модель среднеширотного слоя
Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т.
1987. №20. С. 87-120.
18. Минуллин Р.Г. Аналитическое описание вариаций предельных
частот среднеширотного слоя Es // Ионосферные исследования. М.:
1988. №44. С. 46-47.
19. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
342 с.
20. Керблай Т.С, Носова Г.Н. О модели крупномасштабной
структуры среднеширотного слоя Es // Физика и эмпирическое
моделирование ионосферы. М.: Наука, 1976. С. 104-108.
21. Керблай Т.С, Ковалевская Е.М., Носова Г.Н. О методике
расчета траекторных характеристик радиосигнала, отраженного от
слоя Es // Дифракционные эффекты распространения декаметровых
радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1977. С. 82-89.
22. Керблай Т.С. Траектории радиоволн, отраженных от
крупномасштабной неоднородной структуры слоя Es // Геомагнетизм и
аэрономия. 1979. Т. 19. №1. С. 34-39.
23. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Макаренко С.Ф., Насыров
А.М., Носова Г.Н., Подольская Т.Я. Об азимутальных углах
радиоволн, отраженных слоем Es // Вопросы распространения радиоволн в
высоких и средних широтах. М.: ИЗМИРАН, 1979. С. 71-77.
24. Kerblay T.S., Nosova G.N. Statistical prediction of
Es- layer parameters and echo-signal characteristics // Solar
Terrestrial predictions Proceedings. 1980. V. 4. P. 77-81.
25. Керблай Т.С, Макаренко С.Ф. О пределах применимости
квазиоднородного решения волнового уравнения // Геомагнетизм и
аэрономия. 1983. Т. 23. №4. С. 670-672.
26. Минуллин Р.Г., Сидоров В.В. Использование методов
эффективных наклонов слоя Es для расчета углов прихода отраженных
сигналов // Исследования распространения коротких радиоволн. М.:
Наука, 1973. С. 38-47.

27. Минуллин Р.Г. Азимутальные углы прихода радиоволн,
отраженных слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. №4.
С. 547-551.
28. Минуллин Р.Г. Траекторные характеристики радиоволн,
отраженных слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 1.
С. 26-32.
29. Керблай Т.С, Носова Г.Н., Минуллин Р.Г. Периоды
флуктуации сигналов с частотой 27,8 МГц, отраженных от интенсивных слоев
Es // Вопросы распространения коротких радиоволн. М.: ИЗМИРАН,
1973, С. 117-124.
30. Керблай Т.С., Носова, Минуллин Р.Г. и др. Коэффициент М
при отражении радиоволн от слоя Es на трассе длиной 1050 км //
Геомагнетизм и аэрономия. 1976. Т. 16. №1. С. 88-91.
31. Керблай Т.С., Носова, Минуллин Р.Г. и др. Периоды
флуктуации сигналов, обусловленных ионосферным рассеянием и отражением
от слоя Es на частотах 27,8 и 40,3 МГц // Геомагнетизм и
аэрономия. 1977. Т. 17. №2. С. 231-236.
32. Керблай Т.С., Козлов Е.Ф., Лещенко Н.В., Минуллин Р.Г.,
Подольская Т.Я., Насыров A.M., Носова Г.Н., Саморокин Н.И.
Результаты экспериментального исследования КВ-сигналов, отраженных
слоем Es // Траекторные характеристики коротких радиоволн. М.:
ИЗМИРАН, 1978. С. 41-49.
33. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Михайлова Н.Б., Носова Г.Н.,
Панченко В.А., Панюта М.Н., Потоков Л.Ф., Суслов Л.П. Анализ
комплексного эксперимента по исследованию сигналов, отраженных
слоем Es на линии Москва-Одесса // Дифракционные эффекты коротких
радиоволн. М.: ИЗМИРАН. 1981. С. 12-18.
34. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н., Мадиев Н.Г. О
коэффициентах отражения от спорадического слоя Es на частоте 9
МГц // Практические аспекты изучения ионосферы и ионосферного
распространения радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1981. С. 105-110.
35. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н., Панченко В.А.,
Панюта Н.И. О распределении азимутальных отклонений радиоволн при
отражении от слоя Es // Исследование условий распространения
радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1983. С. 12-17.
36. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Овезгельдыев О.О., Радченко
Т.П. Спорадический слой Е и его роль в ионосферном
распространении радиоволн // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по
распространению радиоволн. М.: Наука, 1987. С. 7-8.
37. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. Коэффициент отражения от
слоя Es на трассе Москва - Казань // Известия ВУЗ. Радиофизика.
1988. Т. 31. №6. С. 669-674.

38. Тржискова Л., Самарджиев Д.Т. Исследование слоя Е в
средних широтах методом рассеяния УКВ вперёд // Геомагнетизм и
аэрономия. 1967. Т. 7. С. 110-115.
39. Лукашкин В.М., Смирнов В.Б., Широчков А.В. Использование
наклонного зондирования для изучения условий распространения
радиоволн и ионосферного прогнозирования // Труды ААНИИ. 1983.
Т. 390. С. 6-22.
40. Боек В.Я., Ходжа-Ахмедов И.Л. О влиянии спорадического
слоя Е и аврорального поглощения на наклонное распространение
декаметровых радиоволн // Труды ААНИИ. 1983. Т, 390. С. 118-123.
41. Canivens S. VHF sporadic E activity. Report // IARV / NSA.
1975. 32 p.
42. Brantley E.N. Very-high-frequency wave propagation by the
temperate - latitude sporadic E layer // J. of Atmos, and Terr.
Physics. 1972. V. 34. №9. P. 1495-1505.
43. Ашкалиев Я.Ф., Бочаров В.И. Роль спорадического слоя Е
при распространении коротких радиоволн на частотах превышающих
МПЧ слоя F2 // Труды сектора ионосферы АН Каз. ССР. 1972. №3.
С. 83-88.
44. Srivastova S.K., Pradhan S.M., Tantry B.A.P. Focusing of
radio waves from E-irregularities // J. Atmosph. Terr. Phys. 1972.
V.34. P. 1991-1998.
45. Керблай T.C., Носова Г.Н., Паласио Л. и др. Интенсивность
отражений от слоя Es по материалам эксперимента на линии Сантья-
го-де-Куба—Гавана // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. №4.
С. 552-556.
46. Керблай Т.С., Носова Г.Н., Паласио Л. и др. Исследование
поля сигнала при одновременном существовании двух слоев Es //
Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. №4. С. 22.
47. Бойков В.И., Жулина ЕМ., Кацевман А.В. и др. Влияние
протонных вспышек в августе 1972 г. на распространение радиоволн
в субавроральной области // Геомагнетизм и аэрономия. 1973. Т. 3.
№6. С. 1116-1117.

С.А.Охремчик, С.А.Радченко
СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА УКВ СВЯЗИ
ЧЕРЕЗ СЛОЙ Es
Современный этап исследований спорадических образований Es
характеризуется широким использованием статистических методов.
Это относится к описанию как структуры Es, так и характеристик
отраженных от Es радиоволн. В данной работе содержатся результаты
разработки ранее предложенной [1-3] статистической модели
отражений радиоволн от Es при их наклонном распространении.
Расчеты МПЧ канала связи через слой Es. Полупрозрачность
слоя Es, обусловленная его структурой, приводит к тому, что при
увеличении частоты электромагнитной волны, падающей на слой, доля
отраженной энергии плавно уменьшается до нуля. Увеличив мощность
передающей радиостанции или чувствительность приемника, можно
повысить максимальную применимую частоту (МПЧ Es). Иными словами,
МПЧ Es зависит от энергетических параметров приемно-передающей
системы. Развивая теоретический подход, изложенный в [4], будем
определять МПЧ Es как максимальную частоту, при которой
напряжение на входе приемника еще достаточно для приема сигнала.
Выражение для напряжения сигнала на входе приемника ^s;f(/)>
согласованного с приемной антенной, можно записать следующим образом:
"«</> = !Рпр(/>Двх11/2' (1)
где / - рабочая частота; R - входное сопротивление приемника;
Р (/) - мощность принимаемого сигнала, выражение для которой
можно записать в виде [5]
Р G А (/)
Р (/) = п п "Р , (2)
np w wu{f)Ww (/)
СВ И * Ь S
где Р - мощность передатчика; G - коэффициент усиления
передающей антенны; W , W^if), WEs(f) ~ коэффициенты потерь мощности
из-за сферической расходимости в свободном пространстве,
поглощения в ионосфере и отражения от слоя Es, соответственно.
Подставляя выражение (2) в (1) и полагая U (f)=U , можно рассчи-
Шл ИХ fill Л
тать значение МПЧ Es, решая относительно / уравнение
где U . - минимальное напряжение сигнала на входе приемника,
вх mm
достаточное для приема. В диапазоне УКВ можно пренебречь поглоще-

нием в ионосфере, т.е. положить W^Xf) = \. Учитывая также, что Ап =
=c2G /4л:/2, W в=4лг2, WEg(f) = l/p2(f), уравнение (3) можно
переписать в виде
/>(/)// = \4-\v .г/(G GPR)l/2t (4)
r J ' 4 I C I bx mm ' пр п п вх
где />(/) - коэффициент отражения от слоя Us; С - скорость света в
свободном пространстве; г - путь распространения радиоволны; G
- коэффициент усиления приемной антенны. Вид функции p(f) зависит
от структуры слоя. Наиболее часто Es представляют в виде
горизонтально-стратифицированного слоя [3, 4, б], в котором электронная
концентрация Ne зависит от вертикальной координаты h.
Если высотный профиль N (h) аппроксимируется скачком
электронной концентрации на границе фон - слой, то частотная
зависимость коэффициента отражения описывается формулой Френеля [7]
p(f) = [cosp-A]/[cosy>+A], (5)
Г 2 fl~flE\l/2
где А = IcosV--2—Т~\ • Лп*^<г®* f ~ Угол паДения радиоволны
на слой Es; f - максимальная плазменная частота в слое Es; fnE -
плазменная частота в слое Е на высоте Es.
При учете конечной толщины слоя Es и постепенного изменения
Ne(h) коэффициент отражения определяется из соотношения [б]
<И/)12> = P2Q, (6)
где P=(/^-/22?)/4(/2-/22?)cos2y>. Параметр Q может принимать
следующие значения: 2, A/L , B/LA, где А и В - константы, зависящие
от параметров формы профилей электронной концентрации тп и q; L-
=4tt(a/c)(/2-/2.E)l/2cosp, a - полутолщина слоя. Угловые скобки
<•> в (6) означают усреднение по параметру L. В [б] рассмотрено
девять разновидностей высотных профилей электронной концентрации,
полное изменение которой происходит скачком (профиль 1, см. табл.
2 в [б]), на полутолщине а слоя Es (профили 2-6), а также на
интервалах высот q (профили 7, 8) или 1q (профиль 9). При этом
скорость изменения #е(Л) с высотой задается параметрами тп и q.
Согласно экспериментальным данным [8] с точностью до 10% /
совпадает с частотой экранирования fbEs. Поэтому для практических
расчетов / в (5), (6) можно заменить на fbEs. Решая уравнение
(4) при />(/), определяемых формулами (5) и (6), можно получить
приближенные соотношения для расчета МПЧ Es.
Для полубесконечного слоя со скачком электронной
концентрации на границе фон-слой

(GG P R ч1/бг c(f2-f2E) -11/3
v U .J L 2 тег cos > J
BX П1 I П r
Для слоя £s конечной толщины со скачком электронной концентрации
и Q=2 (профиль 1)
(8)
(9)
(10)
(2G G P R ч1/бгс(/2-/^£) -и/3
f а I п пр п вх 1 ' I •* в ■'О I '
мпч У игш . .) L2^rcosV-l "
вх m i n r
Для слоя Es конечной толщины и Q = А/1? (профили 2-5, 7, 8)
(AG G PR u/8rc2(/2-/?£) -11/4
/ =s [ п пр n вх I J в ■'О '
/мпч I tf2 . J L 2Vrcos3aJ "
вх m l n
Для слоя Es конечной толщины и Q = B/L4 (профили 6, 9)
tBGG PR \i/i0r c3 (j2-f2nE) -л/5
/ 52 [ " "P П BX I ' °
/мпч I tf2 . J L 2Vrcos4aJ '
BX №10
На основе соотношений (7) - (10) могут быть рассчитаны значения
МПЧ Es в зависимости от параметров слоя Es и линии связи.
На рис. 1а представлены зависимости МПЧ Es от jbEs,
рассчитанные по формуле (7) для полубесконечного и по (8) для конечного
по толщине слоя со скачком электронной концентрации на границе
фон-слой при нескольких значениях fQE (здесь Gn=G =1, Рп=100 кВт,
U . =50 мкВ, R =75 Ом, A£s=110 км, 5=1500 км). Здесь же нане-
вх mm вх
сены значения МПЧ Es, рассчитанные по закону секанса. Из расчетов
следует, что значения МПЧ Es, рассчитанные по (7) и (8),
существенно выше, чем следует из закона секанса и при высоких значениях
fbEs слабо зависят от фоновой частоты fQE. Аналогичные
зависимости для электронных профилей с Q=A/I? показаны на рис. 16 (здесь и
ниже а=500 м). Для плавных слоев (профили 2-5) величина МПЧ Es
слабо зависит от вида профиля (поэтому на рис. 16 приведена
кривая лишь для профиля 3). Для профилей 7 и 8, варьируя значения
параметров формы т и q, можно в широких пределах изменять
градиент электронной концентрации на границе слоя. При этом уменьшение
q или, что то же, увеличение градиента сопровождается увеличением
МПЧ Es. Аналогичная тенденция прослеживается для профилей 6 и 9 с
Q=B/L4 (рис. 1в). Здесь также можно проследить увеличение МПЧ Es
при переходе от плавных слоев к градиентам. Из рис. 1 следует,
что величина МПЧ Es может быть как больше, так и меньше значений,
следующих из закона секанса, что связано с зависимостью
коэффициента отражения от параметров профиля электронной концентрации.
Расчет статистических характеристик ионосферного канала
связи через слой Es. Полученные соотношения (7) —(10) связывают МПЧ

Es с техническими характеристиками аппаратуры и параметрами слоя
Яз.Стохастическая природа последних определяет случайный характер
изменения /мпч(0. Используя статистическую методику [3], в
основу которой положено представление /МПЧШ в виде случайного
процесса, можно получить выражения для средней продолжительности
т (/) и условной вероятности ^(/) существования канала связи
через слой Es при наличии последнего.
тнпч
.МГц,
9U
70
50
30
10
• ••• -Ш
ш
^
^<ь2
r^s^-
—i— 1—i—1—1_ i i
4 5 6 7 8 9
• • •
-
- у
','
&''
I
--I
--и
• -ш
S
•^.4— —■
1 -1 L.
-X
.•
-
Ч ,
^^"Ъ
•
• #
.•• г
~~~~ 1
> i
3 Ч 5 6 7 в 9
3 4 5 6 7 8
. а Б в
Рис. 1. Зависимость МПЧ £s от частоты экранирования fbEs для
различных видов высотных профилей электронной концентрации:
а) I - профиль I; II - полубесконечный слой со скачком
электронной концентрации (1 - / 2?=1,8 МГц; 2 - fgE=3,5 МГц);
б) I - профиль 8 (1 - д=0,1, тп=2; 2 - д=0,01, тп=2); II -
профиль 7 (1 - д=0,1; 2 - д=0,01); IV - профиль 3; /0#=1,8 МГц;
в) I - профиль 9 (1 - 771=3, д=0,1; 2 - m=4, 9=0,1; 3 - m=3,
9=0,01; 4 - m=4, 9=0,01); /оЯ=1,8 МГц; III - /Mn4-/6secp
В рамках статистической методики [3] условная вероятность
существования канала связи
р;</> - pv»^n - i-Fmw = i-fwMm(f)df, (id
где F' „(/) и W (/) - одномерные функции распределения и плот-
МПЧ МПЧ
ность вероятности МПЧ Es, соответственно. Средняя длительность
существования канала связи через Es т (/) на участке
стационарности / (*) определяется соотношением [9]
Тт('> = **</>/П(/>.
(12)

где П(/) - среднее число пересечений / (t) уровня /. Будем
полагать, что МПЧ Es зависит от одного случайного параметра -
частоты экранирования jb, которая, как показано в [1], может быть
описана функцией распределения Вейбулла
FB(fb) = 1-ехр(-ДГ). «,у3>0.
(13)
Используя (13) и функциональную связь / с fb (7) —(10), получим
в соответствии с правилом преобразования плотностей вероятности
[9] и соотношением (11) выражения для P*k(f)- По формуле (12),
используя выражение для ГТ(/), найденное в [3], и Р?(/), нетрудно
получить т (/). В результате для статистических характеристик
получим следующие выражения.
Для полубесконечного слоя со скачком электронной
концентрации на границе фон-слой
(14)
(15)
где С = [(G G P R )1/2 с/2* лг cos2 <pU . ]1/3, т. - интервал кор-
1 п пр п вх ' г вх mm * r r
реляции процесса fb(t). Для слоя Es конечной толщины со скачком
электронной концентрации и Q=2 (профиль 1)
(16)
(17)
где C2=[(2GnGnpFnpi?Bx)1/2c/2WcosVnxmin]1/3- Для слоя Es ко-
нечной толщины и Q = A/L (профили 2-5, 7, 8)
/щ[£ч\Еу\
X = X.
т. к
'3 1Ч""п"пр* п"вх' ' " " г вх mln с
конечной толщины и Q = B/L (профили 6, 9)
где C%=lUGnGnnPnRJ1/2c2/26ji2rcos3<pU]
и Q = 5/L4 (профили I
Р1/ = ехР[-/з(^ + /^)в/2],
Для
слоя
т = т.,
/V2fs(£+flE)a/\
(18)
(19)
(20)
(21)

где С =[(BG G Р R )I/2c3/2VrcosV . о2].
4 lv п пр п вх ' r вх mm J
Исходя из приведенных выражений (14) - (21), были рассчитаны
Р* и т при следующих значениях параметров: G Р =90 кВт, G =50,
К 771 П П Пр
hEs=H5 km, f0E=3,2 МГц. Значения hEs, fQE, а также параметров
распределения fb и т были рассчитаны по данным станции Киев за
июнь-август 1982-85 гг.: а=2,38; /3=1,57-10"16; т^=67 мин. На рис.
2 показаны зависимости Р* и т от протяженности трассы 5 для
профилей 1, 3, 8, 9, а также для полубесконечного слоя со скачком
N (А). Как следует из рис. 2, дистанционные зависимости
статистических характеристик имеют некоторую оптимальную протяженность
трассы S , при которой значения Р* и г максимальны. Значение
S зависит от вида профиля электронной концентрации и высоты
слоя и для hEs=H5 км составляет 1300 км (скачок электронной
концентрации), 1650 км (профили с Q=A/L2) и 1800 км (профили с Q=
=B/LA). Наличие 5 можно объяснить особенностью зависимости МПЧ
' опт
Es от протяженности трассы. В рамках рассмотренных механизмов
потери мощности МПЧ Es будут определяться двумя факторами, имеющими
различную зависимость от расстояния между передатчиком и
приемником. С одной стороны, с ростом S увеличивается угол падения
электромагнитной волны на слой, что приводит к увеличению
коэффициента отражения и МПЧ Es. С другой стороны, рост S будет
сопровождаться увеличением потерь мощности на сферическую расходимость в
свободном пространстве, что уменьшает величину МПЧ Es. Совместное
влияние обоих факторов приводит к появлению 5 . Таким образом,
учет энергетических соотношений для ионосферного канала связи
через слой Es приводит к иным зависимостям МПЧ Es и статистических
характеристик Р* и тт от расстояния, чем это следует из закона
секанса.
Экспериментальные исследования ионосферного канала связи
через слой Es. Для проверки теоретических результатов были
привлечены данные экспериментального исследования распространения
телевизионных сигналов через слой Es [10]. Приемно-измерительный
комплекс, расположенный в Донском (52,6°N, 38,8°E), состоял из де-
сятиэлементной логопериодической антенны, антенных усилителей
(коэффициенты усиления 8 и 13 дБ, соответственно), телевизионных
приемников и регистрирующей аппаратуры. Прием велся одновременно
в частотных диапазонах 48,25-56,5 МГц (I ТВ канал) и 58-66 МГц
(II ТВ канал). Начало приема фиксировалось по появлению на экране
ЭЛТ изображения, различимого оператором, что соответствовало в
среднем напряжению сигнала на входе приемника U . =50 мкВ. По-
ВХ 1ШЛ
лученные в результате эксперимента статистические характеристики
отдельных трасс распространения: безусловная вероятность Р и

средняя продолжительность т существования канала связи через
слой Es - представлены в таблице. На рис. 2 показаны теоретичес-
'к"
р.*
0,4
0,3
0,2
0,1
а.
—— ———~~_^_
— "—■"--—.J3
Ч
— f
Lf 2
i i ■ i i i i i i i i i i i
/77) ^"^
50
40
30
20
10
5
ц
/^___,3
i^^ •. .* 2
-1 1 1. 1 i [ 1 1 1 1 1 [ 1 1
1,0 1,Z 1,f 1,6 1,8 Z,0 2,2 1,0 1,Z V* 1,6 1,8 2;0
S-10"3km
Рис. 2. Зависимость статистических характеристик канала связи
через слой Es от протяженности трассы S для /=56 МГц (а, б) и
/=65 МГц (в, г).
1 - профиль 3 (т=7); 2 - профиль 8 (д=0,1; т=7); 3 - профиль 9
(д=0,01); 4 - полубесконечный слой со скачком электронной
концентрации; 5 - профиль 1

кие и экспериментальные значения т в зависимости от
протяженности трассы S для диапазонов I и II ТВ каналов. Теоретические
зависимости рассчитаны для нескольких видов профилей электронной
концентрации, которые можно отнести к плавным (кривая 1) и
градиентным (кривые 2-5) слоям Es. Теоретические значения тш были
рассчитаны для частот, соответствующих верхним границам диапазонов I
и II каналов, т.е. для 56 и 65 МГц. Средняя излучаемая мощность
составляла 90 кВт. Из рис. 2 следует, что экспериментальные
значения т наилучшим образом описываются теоретическими
зависимостями для ярко выраженных градиентных профилей электронной
концентрации Ne(h).
Таблица
Статистические характеристики распространения
телевизионных сигналов через слой Es
(июнь-август 1982-85 гг., 08-22 ч LT)
Принимаемый телецентр
Быдгощ (ПНР)
Будапешт (ВНР)
Санкт-Пёльтен
(Австрия)
Прага (ЧССР)
Мельхус (Норвегия)
Грэйпстад (Норвегия)
Биденкопф (ФРГ)
Варшава (ПНР)
Хербю (Швеция)
Братислава (ЧССР)
Котбус (ГДР)
Оксенкопф (ФРГ)
Рейхберг (ФРГ)
' нес. из.'
МГц
49,75
49,75
48,25
49,75
48,25
48,25
48,25
59,25
62,25
59,25
62,25
62,25
62,25
G Р ,
п п'
кВт
120
150
60
150
100
60
100
90
60
150
70
100
100
S,
км
1390
1610
1710
1711
2000
2020
2080
1350
1480
1612
1663
1900
2150
Р
%
2,77
1,65
2,12
5,04
0,71
1,22
0,86
0,76
0,63
2,00
0,74
0,22
0,28
мин
45,3
38,1
37,1
52,0
37,2
41,9
40,0
34,6
36,7
38,8
39,0
26,9
27,9
Примечание. Значения несущих частот излучения / и
эффективных излучаемых мощностей G Р взяты из [11].

Выводы. Показано, что МПЧ Es может меняться в широких
пределах в зависимости от вида высотного профиля электронной
концентрации Ne(h), длины трассы и энергетических параметров приемо-пе-
редающей аппаратуры. Наиболее высокие значения МПЧ Es наблюдаются
у слоев с высоким градиентом электронной концентрации. Расчетные
значения средней продолжительности существования ионосферного
канала связи через слой Es с высоким градиентом удовлетворительно
совпадают с экспериментальными значениями, полученными при
исследовании распространения телевизионных сигналов через среднеширот-
ный слой Es.
Abstract
For an one-shock highway of USW propagation the meanings are
obtained for the maximum usable frequency (MUF), conditional
probability P, and a mean lifetime for the connection channel т
* m
through the Es layer. For the Es, a model was assumed of the
horizontal-stratified layer with electron concentration high
profiles of various kinds Ne(h). Within distance relationships
between MUF Es and statistic characteristics there is an optimal
highway length depending on the Ne(h) kind and the layer height
hEs under which the magnitudes of MUF Es, Pk and r are maximal.
The highest magnitudes of MUF Es and statistic characteristics
are observed for gradient layers whose estimated values of r are
fairly corroborated with the experimental ones obtained when
studying television signal ionosphere propagation.
Список литературы
1. Трифонов А.П., Костина З.А., Радченко Т.А. Об одной
статистической модели отражений от слоя Es // Геомагнетизм и
аэрономия. Т.24. №5. С.727-732.
2. Охремчик С.А., Радченко Т.А. Статистическое описание
канала связи через слой Es. 14-я Всесоюзная конференция по
распространению радиоволн: Тез. докл. // М.: Наука, 1984. 4.1. С.65-67.
3. Радченко Т.А. Статистическая модель канала связи через
ионосферный слой Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. №1.
С. 88-92.
4. Керблай Т.С. Предельные частоты при наклонном падении для
двух типов Es / / Геомагнетизм и аэрономия. 1962. Т.2. №3. С.489-
493.
5. Основы загоризонтной радиолокации / В. А. Алебастров,
ЭШ.Гойхман, ИМЗаморзин и др. М.: Радио и связь, 1984. 256 с.

6. Bramley E.N. VHF wave propagation by the
temperature-latitude sporadic E layer // J. Atmos. and Terr. Phys. 1972. Vol.34.
№9. P.1495-1505.
7. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
343 с.
8. Гершман Б.Н>, Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы
образования ионосферного спорадического слоя Е на различных
широтах. М.: Наука, 1976. 107 с.
9. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское
радио, 1966. 678 с.
10. Исследование статистических характеристик ионосферных
спорадических образований Es и их влияние на помехоустойчивость
радиоприема. Отчет по НИР / Рук. А.П.Трифонов. - № ГР 0182.4828110.
Инв. № 0286.0022302. - Воронеж, 1985. 4.2. 87 с.
11. World Radio and TV Handbook / Ed. J.M.Frost. Denmark,
1984. Vol. 39. P.390-405.
:■■■ ^;M..
*• '* 'i
■■•■' . ■ X.
■• injjl'ii.f.-' ■ if \\ t.'l I■-.,;■.v ■.. •:• U . 'j К ":,*■
. t. ':
■ ' ■ ;"'•'■ :>*яУл:А'1 :■: • ,-. v ■. ■■. . ■ ■. ,:
■ £-;; • '■: . ft';;-;-•■;'.л:-; , v-&*:: .■:.•■.! '?: ,■ .;
'■''■ '■ 1- l'i'<- ' ■' '■ . .r .;:'-';:
'.iH.- ' ;'.:i.,:;;.if .<■;■ , ■■'.. ... -■ : -,■>*>■■?:.■■ '.■ .j:.'-'
■.br ;1П .>','.;ч1М',:ч'лт.'; -OT'i i-.<'."'".J."»i\.;- .Jirirr.-.'.V'-' . i-.,1': . .
.■v,-?." ..'/ -^ ;.\У$1 ;':;а:*'..'.-!.-.;1'.1»'йе ••■) --ч>-- srj>i-;i;?--,v--. i
'■ s

В.Д.Гусев, И.Ю.Жидовлснко, Л.И.Приходько
СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДИОВОЛН,
РАССЕЯННЫХ МЕЛКОМАСШТАБНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ
СПОРАДИЧЕСКОГО ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ Es
Разработка научной основы прогнозирования влияния
спорадического ионосферного слоя Es на условия распространения радиоволн
является насущной потребностью радиосвязи. С этой целью создаются
эмпирические, теоретические и гибридные его модели, которые
используются при интерпретации экспериментальных данных. Так, в [1,
2] рассматриваются три структурные модели спорадического слоя Es:
а) модель слоя с регулярным градиентом диэлектрической
проницаемости, б) модель рассеивающих неоднородностей, в) модель тонкого
слоя ионизации, когда решающее значение имеет отражение волн на
границах слоя. Однако, как показывает сравнение с
экспериментальными результатами [2], эти упрощенные модели по отдельности
недостаточно хорошо описывают физические механизмы формирования Es-
сигналов в диапазоне полупрозрачности (диапазоне частот Д между
частотой экранирования fbEs и предельной частотой отражения
foEs), а механизмом формирования сигналов в частотном интервале Д
является и частичное отражение волн от регулярного градиента, и
обратное рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях [3]
совместно.
В настоящей работе рассматривается комбинированная
структурная модель, позволяющая учесть одновременно оба этих реальных
ионосферных фактора; такая модель более адекватна современным
представлениям о физике слоя Es. Итак, спорадический слой Es -
это тонкий слой с локальным (собственным) градиентом электронной
концентрации, содержащий мелкомасштабные рассеивающие
неоднородности различной анизотропии и ориентации. При этом роль
критической частоты слоя играет частота экранирования fbEs.
Простейшей моделью симметричного ионосферного слоя, позволя-
щей учесть все особенности регулярной ионосферной неоднородности,
является треугольный слой. Поэтому для учета частичных отражений
в диапазоне полупрозрачности слоя Es рассмотрим модель
треугольного слоя с "просачиванием", для которого несущая частота больше
критической. Следует отметить, что ширина переходной области
частот от полного отражения к полному прохождению волн определяется
толщиной регулярного слоя. Как показывает анализ [4], для слоев
шириной »28А, имеет место либо полное прохождение, либо, в зави-

си мости от частоты, полное отражение сигнала, причем переходная
область гораздо шире, а значения коэффициентов отражения больше
для тонких слоев, чем соответствующие характеристики для толстых
слоев.
Структура радиоотражений от Е$ определяется также формой,
размерами и ориентацией рассеивающих неоднородностей электронной
концентрации. Неоднородная структура Es-слоя разнообразна по
своей форме. Как и на высотах области F, в слое Es имеются
неоднородности, форма и ориентация которых обусловлена плазменными
процессами. Такие неоднородности имеют форму, близкую к
эллипсоидальной, с поперечными размерами 10-100 м и степенью вытянутости
е вдоль силовых линий магнитного поля, как правило, не
превышающую 2,5 [5]. В то же время эксперимент показывает [б], что на
высотах области ~ 100 км вследствие естественной атмосферной
турбулентности присутствуют мелкомасштабные неоднородности,
вертикальные размеры которых меньше горизонтальных. В литературе такие
неоднородности получили название "листообразных" (или
"дискообразных"); их поперечные размеры могут меняться в пределах 10-30 м
[7]. К особому классу относится на этих же высотах развитая
мелкомасштабная неоднородность с поперечным масштабом 1-5 м и
продольным ~30 м. Эти неоднородности обеспечивают ракурсное
рассеяние в нижней ионосфере на экваторе и радиоотражения от полярных
сияний [3].
Таким образом, на основе этих структурных особенностей слоя
в работе исследуются статистические характеристики радиоволн в
диапазоне полупрозрачности.
Задача ставится следующим образом. На неоднородный слой с
диэлектрической проницаемостью е = е (z) + e (x,y,z) вертикально
падает плоская монохроматическая волна единичной амплитуды. Здесь
регулярная часть проницаемости
t \ (1)
q = ///с, /с - критическая частота слоя, zT - его полутолщина,
es(x,y,z) - флуктуационная часть диэлектрической проницаемости с
1^=0 и малыми флуктуациями v ?^<<1. Представляя полное поле Е в
виде суммы регулярного (в борновском приближении -
невозмущенного) и рассеянного полей и решая скалярную краевую стохастическую
задачу, можно найти случайные коэффициенты отражения R и
прохождения Ts (в квадратурах). Выражения для Rs и Т позволяют найти
средний угловой энергетический спектр для частично отраженных и
ep(z) =

рассеянных полей Ф(вз,<рз) и полей, прошедших сквозь тонкий
спорадический слой I(6s,<ps) с регулярным градиентом [1] и случайными
неоднородностями. Здесь в$ и <р$ - полярный и азимутальный углы
рассеянной волны.
Структура энергетических спектров рассеянных Ф и прошедших
сквозь слой полей I сильно зависит от вида функции корреляции
случайных неоднородностей В(?1-?2), которая при расчетах была
выбрана гауссовой
B<rj-?2) = 1г$ъхр(-апхг-аггуг-апгг-2апху-2а{3хг-2апуг)\
ее коэффициенты а определяются через параметры случайных
неоднородностей: у - угол ориентации большой оси относительно
вертикали, I - поперечный размер неоднородностей и е - степень вытя-
нутости неоднородности (отношение продольного размера к
поперечному). Аналитические выражения для угловых энергетических
спектров рассеяния имеют довольно сложный вид, поэтому их анализ для
произвольных параметров слоя и рассеивающих неоднородностей
проводился численным методом. Поскольку изучение ifs-сигналов в
эксперименте ведется методом радиоотражений, то наибольший интерес
представляет физический анализ спектров обратного рассеяния при
частичном отражении от регулярного градиента.
Численный анализ спектров рассеяния позволил выявить
особенности структуры рассеянных волн в тонких спорадических слоях. На
рис. 1а приведены угловые спектры обратного рассеяния Ф(в ) (при
нулевом азимуте <р ), полученные при фиксированных параметрах,
определяющих размеры и ориентацию неоднородностей (к£1 =0,3, y^-j,
е=10), когда квадрат отношения частоты зондирования к критической
частоте слоя q2=l,2. Расчеты проводились для двух значений
параметра толщины слоя: к г =100 (что при критической длине волны
Л=100 м соответствует полутолщине слоя zT~2,5 км) - штриховая
линия на рисунке, kczT=30 - непрерывная линия (zr~l км). Угловой
спектр мощности поля Ф(б ), рассеянного слоем с fcczr=100,
является осциллирующим с глубиной замираний -20 дБ. В слое
полутолщиной около 1 км (к z =30) сигнал имеет узкую направленность, при
этом максимальное значение спектральной плотности примерно
соответствует направлению, обратному направлению распространения
падающей волны, а вид спектра напоминает спектр при ракурсном
рассеянии.
Характер осцилляции в спектрах рассеяния практически
эквидистантен, что свидетельствует об их интерференционной природе.
Действительно, появление осцилляции в спектрах интенсивности
связано с интерференцией между зеркальной и случайной компонентами
поля. При уменьшении зеркальной компоненты амплитуда осцилляции

10 20 30 6f
ф,
0
-10
-20
-30
9б
- w*
1 \ 1
10 20 30 6/
Рис. 1. Статистические характеристики радиоотражений от
спорадического ионосферного слоя Es:
а - средние угловые энергетические спектры обратного
рассеяния в слоях различной толщины; сплошная линия - при zT=l км;
штриховая"- при z =2,5 км;
б - энергетические спектры рассеяния при различных попереч-
ных размерах неоднородности (.к I ) =1, 5, 8;
в - частотная зависимость интенсивности отраженного сигнала
при различных значениях параметра анизотропии мелкомасштабных не-
однородностей
также становится меньше. Кроме того, осцилляции появляются в
спектрах при увеличении волнового параметра D и становятся
существенными, начиная с D~l. Здесь волновой параметр можно
определить как D=SXzZ/l ., где /. - некоторый эффективный размер
неоднородности, максимальное значение которого равно е/ . С
увеличением степени вытянутости е и с уменьшением полутолщины слоя z

происходит выравнивание спектров, осцилляции становятся менее
частыми. Спектральные характеристики рассеянного сигнала зависят
также от поперечных размеров неоднородностей I , что видно из
рис. 16, где представлены спектры Ф(0 ) при различных значениях
параметра kczT от 0,3 до 2,8. При увеличении к^г наблюдается
перераспределение энергии по направлениям рассеяния, причем
максимум интенсивности в направлении, обратном направлению падающей
волны, наблюдается при kczT=5, что соответствует условию
рассеяния Брэгга на пространственных структурах.
Полученные выражения для спектров мощности обратнорассеянно-
го поля позволяют найти среднюю интенсивность принимаемого
сигнала.
На выходе из ионосферы она определяется по формуле:
I = Г Ф<0 )\F(6 )\Чв .
s J _<? s s s
Здесь функция F(6$) описывает форму угловой диаграммы
направленности приемной антенны полушириной <5 (все вычисления проводились
для прямоугольной антенны).
При расчетах была принята модель высотной зависимости
дисперсии электронной концентрации N ионосферы; в этом случае
дисперсия диэлектрической проницаемости зависит только от частоты и
имеет вид:
Отметим, что используемое при решении задачи борновское
приближение обеспечивается малостью флуктуации е , и на частотах />/
(q>l) величина возмущения электронной концентрации N2/N может
быть не слишком малой.
Численный расчет средней интенсивности рассеянного поля
проводился применительно к конкретному среднеширотному эксперименту
по измерению частотной зависимости коэффициента отражения от слоя
Es, результаты которого приведены в [2]. Поэтому при вычислениях
использовались характеристики приемной антенны, соответствующие
условиям данного эксперимента, и учитывалось увеличение ширины
диаграммы направленности с частотой.
Полная интенсивность принимаемого сигнала складывается из
интенсивности зеркальной компоненты Я^ и рассеянного сигнала 1$
(^sflg+I ). На рис. 1в представлены непрерывными линиями
расчетные кривые частотной зависимости интенсивности отраженного
сигнала Д2 (в децибелах) при различных значениях параметра е.
Экспериментально измеренные значения коэффициента отражения,
пересчитанные с учетом того, что / =fbEs, и построенные в зависимости от

параметра q по табличным данным работы [2], обозначены точками.
Расчетные кривые построены для значения стандарта относительных
флуктуации электронной концентрации JjVj/JV = 0,1- Для значения
JjVj/JV^ = 0,01 кривые располагаются на двадцать децибел ниже
(штриховые линии). Расчеты проводились при следующих параметрах:
kcl±=0,3, fcczT=200, y=| (е>1); у=0 (е<1).
Как видно из рис. 1в, теоретические кривые, полученные на
основе комбинированной модели слоя Es, предложенной в данной
работе, при значениях е*1 достаточно хорошо описывают измеренные
зависимости. Это означает, что основной вклад в формирование Es-
сигналов вносят неоднородности "дискообразной" формы с е=0,3-0,8,
образующиеся на высотах области Е вследствие естественной
атмосферной турбулентности.
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
позволяет также судить о величине стандарта относительной
электронной концентрации j^— IN2 на высотах области Es средних широт.
т
1 R
Наилучшее согласие теории и эксперимента достигается при -^— JN( =
т
= 0,1, что дает хорошее совпадение с экспериментально измеренным
значением стандарта флуктуации электронной концентрации слоя Es
на средних широтах.
Рассмотренная выше комбинированная модель спорадического
слоя Es использовалась также при определении статистики
предельных частот отражения foEs. Задача решалась методом статистических
испытаний [8], для расчетов использовалась модель нормального
закона распределения и гауссова функция корреляции диэлектрической
проницаемости е . Расчет случайных реализаций коэффициента
отражения и интенсивности рассеянного сигнала на Земле (при Л=120 км)
проводился на основе решения краевой задачи. Значения предельных
частот отражения foEs определялись по 200 реализациям е и J .
Результаты сравнения расчетных законов распределения с
нормальным и логарифмически-нормальным законами по критерию
Колмогорова позволяют однозначно сделать вывод о законе распределения
предельных частот отражения как о логарифмически нормальном
законе, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами [9].
Таким образом, используемая в настоящей работе модель Es-
слоя, которая учитывает и частичное отражение, и обратное
рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях, позволяет описать
статистические свойства радиоотражений, которые подтверждаются
экспериментальными исследованиями.

Abstract
The statistic radio-reflection properties are studied on the
basis of the Es ionosphere sporadic layer structural combined
model taking into account a partial wave reflection of a regular
gradient and backward scattering on small-scale inhomogeneities.
A numerical analysis of central angular energy spectra of the
backward scattering signal is carried out as well as the
reflection factor frequency dependence and statistics of reflection
limiting frequencies is determined. It is noted that the
theoretical results obtained are well corroborated with experimental
data of literature.
Список литературы
1. Носова Г.Н. Структурные особенности и модели слоя Es //
Сб.: Траекторные характеристики коротких радиволн. М.: Наука,
1978. С. 160-170.
2. Овезгельдыев О.Г., Келов Г. О некоторых особенностях
отражения радиоволн от слоя Es // Изв. вузов. Радиофизика. 1975.
Т. 18. С. 1794-1800.
3. Филипп Н.Д. Ракурсное рассеяние УКВ среднеширотной
ионосферой. Кишинев: Штиинца, 1980.
4. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
343 с.
5. Насыров A.M., Стенин Ю.М., Тептин Г.М. Об анизотропии
рассеяния радиоволн KB диапазона в нижней ионосфере средних широт
// Изв. вузов. Радиофизика. 1981. Т. 24. №8. С. 915-921.
6. Алимов В.А. О спектре мелкомасштабной турбулентности
высокоширотной и экваториальной ионосферы // Изв. вузов.
Радиофизика. 1982. Т. 25. №6. С. 619-624.
7. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в
ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с.
8. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.
312 с.
9. Чернышев О.В. О кривых распределения foEs // Геомагнетизм
и аэрономия. 1968. Т. 8. №6. С. 1114-1115.

О.Н.Шерстюков, Р.Г.Минуллин, А.Л.Сапаев, А.Д.Акчурин
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОТРАЖЕНИЯ
РАДИОВОЛН ОТ СПОРАДИЧЕСКОГО СЛОЯ Е
ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ
По сравнению с регулярными слоями ионосферы, спорадический
слой Е обладает рядом структурных особенностей. При исследовании
высотных профилей электронной концентрации по ракетным
экспериментам получено [1,2], что слой Е имеет небольшую толщину, от
нескольких сотен до нескольких километров. Кроме того, на нижней
границе слоя в некоторые моменты времени возникают высокие
градиенты электронной концентрации, превышающие 2« 1010м~3км-1.
Исследования пространственных изменений электронной
концентрации различными методами показывают, что слой Е имеет
существенно неоднородную горизонтальную структуру. Так, с помощью
радара некогерентного рассеяния [3] при сканировании по азимуту в
слое Е иногда наблюдаются неоднородности электронной
концентрации с размерами от одного до сотен километров. Методом
разнесенного приема с малой базой обнаружены мелкомасштабные
неоднородности с размерами от 50 до 700 м [4]. Таким образом, в слое Е
содержатся неоднородности самых разных масштабов.
Перечисленные структурные особенности проявляются при
отражении от слоя Е декаметровых радиоволн. В данной работе
исследуются вариации амплитуды сигнала, отраженного от слоя Е при
вертикальном зондировании на меняющейся частоте. Показаны
возможности получения дополнительной информации о структуре и динамике
слоя Е на основе анализа амплитудно-частотных и амплитудно-даль-
ностных характеристик зондирования.
Для исследования энергетики сигналов, отраженных от слоя Е ,
был разработан и изготовлен специальный комплекс "Циклон" [5].
Импульсное зондирование с помощью него производится при изменении
рабочей частоты в диапазоне 1-21 МГц. В составе комплекса имеется
микроЭВМ, которая используется как для управления процессом
зондирования, так и для обработки результатов измерений. В память
микроЭВМ заносится матрица: частота-дальность-амплитуда входного
сигнала приемника.
С помощью принтера на бумажной ленте распечатываются ионо-
грамма и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Для
построения АЧХ программно задается высотный интервал, внутри которого
на ионограмме укладывается след отраженного от слоя Е сигнала.

При этом внутри выбранного интервала автоматически находятся
максимальные амплитуды отраженных импульсов. Кроме того, для
контроля формы импульсного сигнала возможна распечатка амплитудно-
дальностных реализаций для выбранных частот зондирования.
1—i—i—i—г-Н—1—i—i—i—1—i—1—i—i—р и i ■ i1 I1 i—i 1—i—i—i—i—i—i—г—i
12 3^5673 Z 3 Ч- S 6 7 в
a F, МГц 5 Л МГц
Рис. I. Амплитудно-частотные характеристики (а) и форма
отраженного импульса на дискретных частотах с шагом 0,5 МГц (б),
зарегистрированные на ионосферной станции Казань 30.07.88 г. с 9 ч 30 м
до 11 ч 00 м LT
В приемном устройстве ионосферного комплекса усилитель
второй промежуточной частоты был выполнен логарифмическим. Это
позволяет записывать значения амплитуды сигналов в динамическом
диапазоне, равном 60 дБ. Однако из-за небольшой мощности
передатчика (не более 3 кВт) и высокого уровня шумов на некоторых
рабочих частотах амплитуда отраженных от ионосферы сигналов может
исследоваться в диапазоне, равном 40 дБ. Излучение и прием радио-

волн осуществляется с помощью перпендикулярных полотен дельта-
антенны.
Вертикальное зондирование ионосферы комплексом "Циклон"
производилось в июле-августе 19S8 г. в г. Казани с координатами
55,8СС, 43,5°В. Получено более 400 амплитудно-частотных
регистрации отражений от слоя Е . В некоторых случаях по амплитуде
сигнала, отраженного от слоя Es, и аппаратурной константе определялся
коэффициент отражения от ^-слоя (рЕ$).
Для изучения отражающей способности слоя Е проводилось
сравнение амплитуд сигналов, обусловленных слоями Е и Е . На рис.
1а представлена последовательность . амплитудно-частотных
регистрации от слоев Е и Е , полученная 30 июля 1988 г. с 9 ч 30 мин до
11 ч 00 мин LT. На ионограммах в это время наблюдается Е слой
типа "с". Сплошными стрелками на АЧХ показаны частоты, равные
/0.Е, которым соответствуют максимальные групповые запаздывания
импульсного сигнала. Штриховыми стрелками отмечены значения
частоты экранирования /ЬЕ$. Из анализа ионограмм следует, что
представленные регистрации соответствуют обыкновенной компоненте
радиоволн.
Наблюдается увеличение уровня сигнала, отраженного от
регулярного слоя Е, с ростом частоты отражения, а максимальные
значения достигаются на частоте около 0,9 • f0E. Далее с увеличением
рабочей частоты повышается групповое запаздывание импульсного
сигнала, а амплитуда сильно уменьшается, что обусловлено
увеличением отклоняющего поглощения.
Для данных измерений при появлении слоя Е на высоте 115-120
км вблизи максимума электронной концентрации области Е на АЧХ
(рис. 1а) наблюдается резкое возрастание амплитуды сигнала на 15-
18 дБ по сравнению с уровнем сигнала при f=0,9-fQE для частот
больше fQE на интервале, примерно равном 0,2 МГц. Чтобы объяснить
данное повышение уровня сигнала, рассчитаем интегральное
поглощение радиоволн на разных частотах зондирования.
Согласно [6], в неотклоняющей области, когда коэффициент
преломления п мало отличается от 1, используется случай
квазипродольного распространения. Рассчитанные значения коэффициента
неотклоняющего поглощения Гх в дБ представлены в таблице для
различных значений /, относительно f0E=2,5 МГц, при этом гирочастота
электронов /я принималась равной 1,6 МГц. В отклоняющей области,
для п<0,4 справедливо квазипоперечное распространение. В этом
случае коэффициент отклоняющего поглощения Г можно рассчитать
без учета магнитного поля. Из таблицы видно, что при отражении от
слоя Es вклад отклоняющего поглощения с увеличением частоты силь-

но уменьшается, вследствие отражения радиоволн от больших
градиентов электронной концентрации в слое Е . Если сравнить суммарный
коэффициент поглощения Г£ при /=0,9 /0Я и /=1,1 • f^E, то разность
между ними составит около 20 дБ. Это в среднем соответствует
экспериментально наблюдаемым различиям в уровне сигнала. Так как
слой Es тоньше регулярного слоя Е , то поглощение внутри него
будет незначительным.
Таблица
Расчетные изменения коэффициента поглощения в нижней
ионосфере при наличии полностью отражающего слоя Е для
разных рабочих частот, по сравнению с /02?=2,5 МГц
f,MIu
ГрДБ
Г2, дБ
Гх,дБ
1,75
14,5
16,8
31,3
2
12,5
20,7
33,2
2,25
10,9
23,9
34,8
2,4
10,2
25,5
35,7
2,75
13,8
2,0
15,6
3,25
2,7
0
12,7
Таким образом, появление слоя Е$ на АЧХ сопровождается
повышением уровня сигнала до 15-20 дБ в зависимости от высоты
расположения слоя и, следовательно, анализ АЧХ позволяет лучше
выделять сигналы, отраженные от слоя Е$, на ионограммах при
вертикальном зондировании.
На амплитудно-частотных регистрациях в частотном диапазоне
от /J? до f.E иногда наблюдаются интерференционные замирания.
Примером могут быть представленные на рис. 1а АЧХ,
соответствующие 9 ч 45 мин и 10 ч 00 мин LT. Видно, что с увеличением рабочей
частоты происходит уменьшение глубины, а также увеличение периода
флуктуации сигнала.
Можно предположить, что амплитуда сигнала изменяется из-за
интерференции двух волн, соотношение между фазой и амплитудой
которых зависит от частоты зондирования. Данные замирания не
могут возникать из-за интерференции между волнами различной
поляризации, так как представленные на рис. 1а АЧХ соответствуют
дневным измерениям, когда необыкновенная волна достаточно сильно
поглощается и практически отсутствует в диапазоне f0E+fH/2 (где
/„ - гирочастота электронов), хотя ее влияние возможно на более
высоких частотах. Поэтому, данные интерференционные замирания
обусловлены взаимодействием двух обыкновенных волн.

В [7] на основе полного волнового анализа распространения
декаметровых радиоволн в тонком слое электронной концентрации
получено, что обыкновенная волна отражается от уровня -*— = 1 (где
fN - плазменная частота); кроме того, при некоторых условиях
может возникнуть вторая обыкновенная волна, которая аналогична
появлению z-моды для слоя F2 при вертикальном зондировании. Так, если
на пути радиолуча имеется высокий градиент электронной
концентрации, часть энергии падающей обыкновенной волны просачивается
выше уровня -^— = 1, где поляризация изменяется и необыкновенная
N f
волна отражается от уровня L— = 1+-т^. Затем часть энергии отра-
iN J
женной необыкновенной радиоволны изменяет поляризацию на
обыкновенную на уровне £—=1, вызывая взаимодействие и интерференцией-
ные замирания амплитуды результирующего сигнала.
Из-за того, что фазовый путь необыкновенной волны изменяется
с частотой зондирования, фазовые различия двух взаимодействующих
обыкновенных волн также меняются. В то же время, так как
расстояние между двумя отражающими уровнями увеличивается и повышается
поглощение z-моды, амплитуда одной из обыкновенных волн
уменьшается.
В случае отражения радиоволны от слоя Е два отражающих
уровня близки друг к другу и могут иметь практически одинаковое
групповое запаздывание при импульсном зондировании.
Следовательно, описанный механизм отражения может объяснить фазовые различия
и амплитудные отношения при экспериментально наблюдаемых
интерференционных замираниях на АЧХ для слоя Е .
Согласно [7], частотные интервалы между интерференционными
замираниями определяются средним значением градиента электронной
концентрации между отражающими уровнями. Уменьшение глубины
замираний с увеличением частоты зондирования будет зависеть от
частоты столкновений электронов на высоте слоя Е .
Как следует из [8], частотные интервалы между минимумами
уровня сигнала при интерференционных замираниях будут
увеличиваться с повышением градиента электронной концентрации. Если
принять градиент электронной концентрации постоянным, то часто
интервал между последовательными замираниями будет уменьшаться с
увеличением частоты зондирования. Исходя из этого, на основе
сравнения экспериментальных интерференционных замираний на АЧХ с
расчетными могут быть получены оценки значений градиента
электронной концентрации на нижней границе слоя. При этом значение
поглощения на линейном градиенте электронной концентрации сильно
не нарушает получаемые оценки.

Воспользовавшись расчетами в работе [8], можно заключить,
что интерференционные замирания на АЧХ (рис. 1а) в 9 ч 30 мин
обусловлены средним градиентом электронной концентрации, примерно
равным 8*10 м км", в 10 ч 00 мин градиент увеличивается и
достигает значения около 9* 1010m~3km-1.
Таким образом, квазиопериодические изменения амплитуды
сигнала на АЧХ при вертикальном зондировании можно объяснить
интерференцией между двумя обыкновенными волнами, возникающими в
результате отражения от высокого градиента электронной концентрации.
Одна из волн отражается от уровня 4—=1, вторая обусловлена отра-
/ N
жением от уровня 4—=1 + -А. Причем необходимо отметить, что интер-
ференционные замирания возможны только до частоты /=|/2+4|
- -j^, где fm - максимальная плазменная частота Е -слоя.
В работе [8] предлагается вместе с ионограммами для
определения изменений плотности электронной концентрации с высотой,
использовать АЧХ с интерференционными замираниями. Однако, такие
замирания на АЧХ появляются не так часто, но их вероятность
повышается с широтой зондирующей станции. В работе [8] обнаружены
интерференционные замирания на АЧХ для регулярного слоя Е, которые
соответствовали градиентам электронной концентрации менее
2-10 м~ км~ . Для слоя Е данным методом обнаружены градиенты,
превышающие в некоторые моменты времени значения, равные
10 м" км" . Подобные градиенты электронной концентрации
наблюдались при некоторых ракетных экспериментах [1, 2].
Изменения коэффициента отражения рЕ$ с частотой в диапазоне
полупрозрачности (Д/6-Е =f0Es-fbE}) также определяются структурой
Е -слоя. Так, в работе [9] для объяснения экспериментальных
измерений распространения радиоволн в диапазоне полупрозрачности
слоя Е используется модель тонкого слоя с мелкомасштабными неод-
нородностями. В работе [10] предлагается комбинационная модель, в
которой учитывается и частичное отражение от регулярного
градиента электронной концентрации, и обратное рассеяние на
мелкомасштабных неоднородностях. Большие значения полупрозрачности Е}-
слоя в работе [11] также предлагают объяснять обратным рассеянием
от горизонтально вытянутых неоднородностей с небольшими
относительными флуктуациями электронной концентрации AN/N=5-10~ .
Согласно [12], при численных расчетах условий
распространения радиоволны с учетом магнитного поля Земли полупрозрачность

слоя &fbE3, не превышающая -у, может быть объяснена отражением от
тонких слоев с толщиной менее 0,5 км. При этом, для f>fbEs должны
наблюдаться изменения рЕ , обусловленные межмодовым
взаимодействием. Для слоев с толщиной больше 1 км уровень сигнала должен
резко падать с частотой больше fbE , а диапазон полупрозрачности
не превышать 0,1 МГц.
Заключение о структуре отражающего слоя можно сделать по
виду АЧХ в диапазоне полупрозрачности Е -слоя дополняя с анализом
регистрации импульсных сигналов. На рис. 16 представлены ампли-
тудно-дальностные регистрации в интервале высот 100-160 км для
ряда частот зондирования с шагом 0,5 МГц. Видно, что на частотах
зондирования более fQE импульсные 1?5-сигналы для измерений в 9 ч
30 мин, 9 ч 45 мин и 10 ч 00 мин не отличаются от импульсных
сигналов, отраженных от слоя Е. По-видимому, АЧХ в 9 ч 30 мин
соответствует отражению от тонкого слоя (>1км) с диапазоном
полупрозрачности менее 0,1 МГц. Далее, как следует из анализа
интерференционных замираний, в 9 ч 45 мин и 10 ч 00 мин наряду с
небольшим увеличением f E происходит повышение среднего градиента
электронной концентрации на нижней границе слоя. Причем, так как
интерференционные замирания будут наблюдаться до /=(/то+/я/4) ^ -
J-, то максимальная плазменная частота для измерений в 9 ч 45
мин будет примерно равна 4,9 МГц, что несколько больше fbE .
Уровень сигнала, отраженного от слоя Е на частотах больше f.E , для
данной регистрации мало изменяется с частотой и существенное его
понижение наблюдается уже при />/ , что характерно для тонкого
"взаимодействующего" слоя (толщина <1 км).
На амплитудно-дальностных регистрациях (рис. 16), полученных
в 10 ч 00 мин при отражении от слоя Е наблюдаются два отраженных
импульса, причем АЧХ соответствует нижнему импульсу. Так как
приемная и передающая антенны имеют широкие диаграммы направленности,
в данном случае нельзя определить, откуда приходит второй импульс
(сбоку или сверху). На частотах свыше 5,5 МГц наблюдается ушире-
ние сигнала, что, возможно обусловлено обратным рассеянием от
мелкомасштабных неоднородностей, уровень сигнала при этом ниже
максимальных значений амплитуды на 30-35 дБ.
В 10 ч 30 мин LT диапазон полупрозрачностн слоя Е резко
возрастает, причем при повышении / Е амплитуда сигнала почти не
меняется, примерно до 5,5 МГц. Затем уровень сигнала понижается,
однако и далее наблюдаются резкие повышения уровня сигнала в
небольших частотных диапазонах. Импульсный сигнал подобен сигналу,
отраженному от регулярного слоя Е для частот до 4 МГц, затем сиг-

нал уширяется и становится многомодовым. Это объясняется
отражением от больших горизонтальных градиентов электронной
концентрации, расположенных на расстояниях до 50 км от вертикали к точке
излучения. Большой диапазон полупрозрачности слоя Е сохраняется
в 10 ч 45 мин с последующим уменьшением в 11 ч 00 мин. Отметим,
что значения fbE$ здесь примерно одинаковые.
Можно предположить, что в данные моменты времени слой Ез
имеет сильно неоднородную структуру и отражение происходит от
облаков ионизации, имеющих размеры больше первой зоны Френеля
(v=VXhEз). Это подтверждается последними экспериментальными
результатами работы [13], где по наблюдениям слоя Е с помощью KB
радара с узкой (<4°) диаграммой направленности антенн получено,
что экранирующий слой является гладким слоем, с наклонами <1
градуса по горизонтали, в то время как полупрозрачный слой Е
состоит из облаков ионизации с размерами от нескольких км до 25
км. Сходные результаты получены в работе [14], где при
широкополосном вертикальном зондировании импульсным сигналом с
длительностью б мкс определено, что в диапазоне полупрозрачности
наблюдаются несколько импульсов, отраженных от облаков ионизации,
причем уровень рассеянного сигнала только в некоторые моменты
примерно на 30 дБ меньше максимального отраженного сигнала.
Таким образом, вслед за [15] можно сделать вывод, что fQE
для Е -слоев с большим диапазоном полупрозрачности будет
соответствовать максимальной электронной концентрации в зоне облучения
приемо-передающей антенны при отражении от неоднородностей с
размерами в несколько км. Там же [15] предполагается, что f Es будет
характеризовать значение электронной концентрации над ионосферной
станцией в области, соответствующей первой зоне Френеля для
данной частоты. Однако в этом случае частота экранирования fbEs
должна сильно меняться со временем из-за движения неоднородностей
Е -слоя. В действительности это происходит не всегда, так как для
АЧХ на рис. la fbE мало меняется с 10 ч 00 мин до 11 ч 00 мин.
По-видимому, значение fbEs в большей степени будет определяться
дифракционными эффектами при прохождении радиоволн через
неоднородную структуру.
Итак, отражения радиоволн от слоя Е по сравнению с
регулярным слоем Е при вертикальном зондировании имеет ряд особенностей.
Так, из-за уменьшения отклоняющего поглощения уровень сигнала на
АЧХ при отражении от слоя Е повышается на 15-20 дБ по сравнению
с сигналом, отраженным от регулярного слоя Е. Наличие сильных
градиентов электронной концентрации на нижней границе Я^-слоя
ведет к тому, что на АЧХ наблюдаются интерференционные замирания,

обусловленные взаимодействием двух обыкновенных волн. Изменения
амплитуды сигнала на частотах больше частоты экранирования f^E
для 2^-слоя с большим диапазоном полупрозрачности, обусловлены
отражением от облаков ионизации, соизмеримых с размерами первой
зоны Френеля.
Abstract
When studying experimentally amplitudes of the ^-signals
under vertical-incidence sounding some peculiar characteristics
different from the signals reflected, of regular ionospheric
layers have been revealed. Thus, a level of the signal on amplitude-
frequency characteristics (AFC) when reflecting of the Es layer
increases by 15-20 dB in comparison with the regular E layer due
to the decrease in deflecting absorption. The presence of
electron concentration strong gradients on the Es layer lower
boundary causes interferential fading of the AFC as a result of the
interaction between two ordinary waves. Signal amplitude
variations in the frequencies higher that the one of screening /bJ5s
for the layer with large range of semi-transparence could be
explained by the reflection of clouds of ionization.
Список литературы
1. Smith L.G., Mechtly E.A. Rocket observation of sporadic
^-layers // Radio Sci. 1972. V. 7. №3. P. 367-376.
2. Казачевская Т.В., Иванов-Холодный Г.С. Ракетные данные о
поведении электронной концентрации в ионосфере на высотах 100-300
км // Геомагнетизм и аэрономия. 1965. Т. 5. №6. С. 1009-1024.
3. Miller K.L., Smith L.C. Midlatitude sporadic -E layers //
Aeronomy Rep. 1976. V. 76. 243 p.
4. Ерофеев Н.М., Овезгельдыев О. Тонкая структура и движение
спорадического слоя Е // Геомагнетизм и аэрономия. 1961. Т. 1.
№6. С. 942-948.
5. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Петров Л.М., Сапаев А.Л.,
Сюняев Р.З., Уткина Т.Н., Шерстюков О.Н., Меткий А.И, Приемный
модуль цифрового ионозонда на базе микроЭВМ "Электроника ДЗ-28"
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1987. №20. С. 81-87.
6. Казанцев А.Н., Данилин В.А., Чивилев В.И. Поглощение
радиоволн при вертикальном зондировании ионосферы // Геомагнетизм и
аэрономия. 1971. Т. 13. №3. С. 523-526.

7. Chessel C.I. Results of numerical calculations of
reflection and transmission coefficients for thin highly ionized layers
and their application to sporadic -E reflections // J. Atmos. and
Terr. Phys. 1971. V. 33. P. 1803-1822.
8. Salonen L. Quasi-periodic frequency dependence of Ea and
E layers echo ampHtude, caused by mode coupling // J. Atmos. and
Terr. Phys. 1981. V. 43. №12. P. 1285-1288.
9. Овезгельдыев О., Келов Г. О некоторых особенностях
отражения радиоволн от слоя Е% / / Изв. ВУЗ. Радиофизика. 1975. Т. 18.
№12. С. 1794-1800.
10. Гусев В.Д., Жидовленко И.Ю., Приходько Л.И. Частотная
зависимость средней интенсивности радиосигналов, частично
отраженных слоем Е^ / / Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике
Солнца. 1987. №77. С. 52-56.
11. Ерухимов Л.М., Савина О.Н. О роли мелкомасштабных неодно-
родностей в формировании радиоотражений от среднеширотного
спорадического слоя Е // Ионосферные исследования. М.: Сов. радио,
1980. №30. С. 102-110.
12. Chessel C.I., Thomas J.A., Bourne I.A. Experimental
observations of the amplitudes of Es and f-region reflections and
their comparison with the thin layer model for Es // J. Atmos.
and Terr. Phys. V. 35. P. 545-561.
13. From W.R., Whitehead J.D. Es structure, using an HF radar
// Radio Sci. 1986. V.21. №3. P. 309-312.
14. Paul A.K. Limitation and possible improvements of
ionospheric models for radio propagation. Effects of sporadic E
layers //Radio Sci. V.21. №3. P. 304-308.
15. Sinno K., Kan M., Hirukawa Y. On the reflection and
transmission losses for ionospheric radio wave propagation via
sporadic E // Rev. Radio Res. Lab. 1976. V. 22. №117. P. 65-81.

С.Ф.Миркотан, Н.И.Бушулкин, В.И.Захаров
АМПЛИТУДНЫЙ И ФАЗОВЫЙ КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТРАЖЕНИЯ
И ПРОХОЖДЕНИЯ В ОБЛАСТИ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ
ТОНКОГО ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ
При расчетах огибающей, фазы импульсного радиосигнала,
отраженного или прошедшего через ионосферный слой, необходимо знать
частотные зависимости комплексных коэффициентов отражения от
ионосферы и прохождения ее. При монотонном поведении электронной
концентрации с высотой вдали от критической частоты fk или МПЧ,
коэффициенты рассчитываются с использованием приближения
геометрической оптики. Особенности в поведении амплитуды и фазы
импульсных сигналов в окрестности критических частот fk изучались
на примере модельных слоев, для которых известны точные решения
уравнения Гельмгольца [1-2].
Характер амплитудных и фазовых искажений импульсного
радиосигнала существенно зависит от частотных характеристик
комплексных коэффициентов отражения и прохождения, особенно вблизи
критической частоты слоя. Поэтому большой интерес представляет
получение этих коэффициентов в частотном интервале порядка ширины
спектра падающего сигнала в области критической частоты.
Для изотропной, плоек о-слоистой модели ионосферы скалярное
поле электромагнитной волны Е удовлетворяет уравнению Гельмгольца
±-f + %e(a>,z)E = 0, (1)
dzl с1
где в случае нормального падения волны e(co,z) = l-N(z)e2/e0m со2 -
диэлектрическая проницаемость ионосферы (обозначения -
стандартные, общепринятые).
Рассмотрим ионосферный слой с произвольным распределением
электронной концентрации N(z), имеющий максимум N(z) =N в
точке z=0; z=-zx - координата нижней границы слоя, a z=z - верхней
границы слоя. В точках z=-zy и z=z2 имеем N(-zJ)=N(z2)=0. Считая
пространство вне ионосферного слоя свободным пространством,
краевые условия для уравнения (1) можно записать в виде
Е =<
eikz+Re'ikz, -»<z«zI
CXU + C2V, z^z^z2 (2)
Deikz, z2^z<a>
где Rico) и D(co) - комплексные коэффициенты отражения и
прохождения соответственно, С , С2 - постоянные; U(z) и V{z) - фундамен-

тальные решения уравнения (1) внутри слоя, к=а/с - волновое число.
Из условий непрерывности поля и его производной на границах
областей имеем 4 уравнения с 4-мя неизвестными. Разрешая эти
уравнения для коэффициентов R и D, получим:
где
r = -e'2tk'[l-2ik(AlVl(-zl)+A2Vl{-zl))]t
-lik(z.*z.)
D = like l 2 Up^zJ+AJVJzJ);
ikV-V.
д — 2 2
1 {ikUx+U[){ikV2-V'2) +(ikV1+V'l)(U'2-ikU2)'
U'-ikU.
A2= 2 2
(3)
где U=U(-z.), Щ=Ш-
1 l l dz
(ikU^U'JUW^-Vp+dkV^VpiU^-ikUJ
и обозначения
z=_z, u2=uu2), w2=f-
z~ zi 2 l l dz
2=z2
для V аналогичны.
Таким образом, задача о нахождении коэффициентов отражения и
прохождения сводится к нахождению фундаментальной системы решений
уравнения (1). Как уже отмечалось, наибольшие трудности вызывает
получение фундаментальной системы в критических областях
ионосферных слоев (для Es - это предельная частота экранирования, а
для остальных - /к). Известные точные решения для ряда модельных
слоев, вообще говоря, мало пригодны для анализа частотной
зависимости поведения коэффициентов отражения и прохождения. Известно
I /2 -/21
[3], что при \а\ = __*_>_]_ (где а имеет смысл расстройки или
ft kz
J к т
безразмерной частотной переменной, a zm - эффективная полутолщина
слоя) оказывается справедливым приближение геометрической оптики.
Поэтому особый интерес представляет решение задачи о поведении
коэффициентов отражения и прохождения в достаточно узком
частотном интервале в непосредственной окрестности критической частоты:
ы < -U
кг
то
Это обстоятельство позволяет при нахождении фундаментальной
системы решений (1) в окрестности fk использовать а как малый
параметр. Представим (1) в виде:
£jjL + k2-^-(a+m2(z))E = 0, (4)
dz2 1+c*
где a+m2(z)=n2(z) - показатель преломления, /i=(e-firmax/(7rme)) >
m2(z)=l-N(z)/N . Следует отметить, что т не является показате-
mux

лем преломления и т (z) вещественно при всех г. Решение ищется
1 к2
при |а|«1. Обозначив к =—-—, получим уравнение:
(1+а)
^f + кгЛа+тНг))Е = 0. (5)
dz2 °
Решение (5) так же, как и в методике ВКБ будем искать в виде ряда
по обратным степеням к
Е = eik\Z £ l^iYd£. (6)
JOj=ov к )
Согласно методу ВКБ нулевое приближение выбирают в виде у =
=Ve(co,z). При этом на частотах, близких к критическим, возникают
особенности в поведении R и D, связанные с ветвлением в нуле
функции y0=v/e. Мы выберем нулевое приближение в виде у0=±т, что
оправдано до тех пор, пока мало а. Знаки ± соответствуют 2-м
решениям уравнения (5). Для определения у( получим цепочку
уравнений, решения которых имеют вид:
У* = т
У\ = ^jVl>exp[-2£*0JZmdA]<£|, уф = ia-
1 dm
у2 - -ik^y^expL-Hk^im+y^dxld^ (7)
у0 = -™
ух = ^jV(|)exp["2zA:0JZm<fA]<f|
Ь = -**0|2у|ехрГ2гА:0|г(т+у1)йА1й| (8)
Как показывают оценки, при \у\ <^i/kz ряды (7), (8)
сходятся, во всяком случае, в начале (z=-z)) и в конце (z = z ) слоя.
Это справедливо для слоев с градиентами электронной концентрации
dm/dz$l/zm. Для ряда модельных слоев (косинусный,
параболический, Эпштейна) это неравенство справедливо. Так, для
параболического слоя dm/dz=l/z . В принципе, соотношения (3), (6), (7) и (8)
решают задачу о нахождении коэффициентов отражения и прохождения

в окрестности критической частоты ионосферного слоя, во всяком
случае ясна вычислительная процедура получения этих
коэффициентов. Более тонкие оценки показывают, что сходимость (7) и (8)
возможна и в общем случае при более слабых ограничениях на
поведение dm/dz. Оценим первый член ряда у.. Имеем:
у, = fcj/iopexphiifcJ' то<£л1<*| -
- I J* dm exp Uik^J *т dx\ d|\ exp f-2£fc0fm dx\. (9)
Следует ожидать, что ряды (7), (8) сходятся, если выполняется
неравенство !у01»у, при 2=-Zj и z-zr Первый интеграл в (9) будет
удовлетворять данному неравенству при соответствующих требованиях
к малости переменной а. Интегралы в (9) - это интегралы френе-
левского типа с быстрыми осцилляциями, стремящимися при больших
г»Я к некоторому постоянному значению. При этом главное значение
во вклад интеграла вносит область тех значений z, где малы z и
m(z), то есть область максимума электронной концентрации (рис. I).
Пространственные области больших z (начало и конец слоя) ввиду
того, что подынтегральное выражение при больших z - быстроосцил-
лирующая функция, вносят гораздо меньший вклад в значение
интегралов в (9). Более того, даже наличие не слишком глубоких
"долин" (0,8-0,9) ЛГ [4] вдали от области максимума электронной
концентрации, по-видимому, незначительно скажется на значения
интегралов. Поэтому требование равномерной малости (при всех z)
следует заменить требованием малости градиентов только вблизи
области максимума слоя. Последнее обстоятельство указывает на
возможность использования предложенного метода для получения
коэффициентов отражения и прохождения для тонких ионосферных слоев типа
Е, Es с большими градиентами электронной концентрации dm/dz £ к.
Рис. 1. Качественная зависимость яг от z

Полученные соотношения существенно упрощаются для
ионосферного слоя с симметричным распределением электронной концентрации
по высоте, когда N(z)=N(-z).
* *
Положим z=z=zm и 17+=еф+е* , U_=е*-е* , где:
ф = "°1>Д(-?)Н <10)
U+, U_ соответствуют четному и нечетному действительным
фундаментальным решениям уравнения. Тогда для коэффициентов отражения и
прохождения имеем:
,*,». ly^l' |D|1. >'«.+*>'
[2,+ L_-p2]2+p2(L + + Z,_)2 [L + I_-p2]2 + p2(Z,+ +Z,J2
<p = 2p+arctg£-+arctg£-, % = jr+2p+arctg 2- +arctg£-, (11)
L L L L
+ + -
P = kz ,
где L+, £_ - логарифмические производные четного и нечетного
решений соответственно; <р,% - фазовые коэффициенты отражения и
прохождения. Отметим, что из (11) непосредственно следует, что
|Д|2+|£>|2=1, кроме того фазовые коэффициенты отражения и
прохождения отличаются на л.
В качестве примера использования изложенного метода
рассматривался, в частности, параболический слой z =5 км, / =5 МГц, для
т к
которого в первом приближении (т.е., когда учитывались нулевой и
первый члены ряда (7,8)) рассчитывались на ЭВМ амплитудный и
фазовый коэффициенты отражения.
На рис. 2 изображены результаты расчета: частотная
зависимость модуля 1Жш)| и фазы д<р(ш)/дш комплексного коэффициента
отражения.
Отметим, что поведение \R(co)\ и <р'(со) качественно совпадает
с результатами [5]. Наличие осцилляции на зависимости |Д(ш)| в
области частот f/fk>l может быть связано с недостаточной
точностью первого приближения. Вместе с тем, на наличие таких
осцилляции в поведении \R(co)\ для параболического слоя указывается в
численных расчетах, приведенных в [б].
В результате работы предложен метод построения
фундаментальных решений уравнения Гельмгольца в критической области
ионосферных слоев для расчета на их основе комплексных коэффициентов
отражения и прохождения. Метод может быть использован для
нахождения указанных коэффициентов и в случае тонких и высокоградиентных
слоев типа Е, Es, для которых особенно ощутим дефицит упомянутых
методов.

IRI
1
0,5
1Ч'и>
■1^
1 ^^^\
L I I
i-5
Ч-10'6 О -V-10'3 1-f0/f
Рис.2. Зависимость |Л(а>)| и <р'(со) от а>/а>А Um=5 km, fk=5 МГц)
В заключение укажем также на одну из возможностей расчета
фазового коэффициента отражения вблизи "долины", т.е. вблизи
частот, соответствующих локальному максимуму электронной
концентрации. Если "долина" находится вдали от главного максимума (т.е. в
"долине" Л^ «Wmax слоя) можно пренебречь просачиванием волны
через ионосферный слой и решение за "долиной" представляется в
виде стоячей волны, перед "долиной" - в виде суммы падающей и
отраженной волн с модулем коэффициента отражения равным единице,
а внутри слоя - ищется в виде суммы фундаментальных решений
уравнения Гельмгольца.
Abstract
An ionospheric layer with random altitudinal distribution of
electrone concentration with the only one main maximum is
discussed. The thin layers E and Es can be referred to as similar ones
(a phenomenon of special interest), though, under common
conditions, such a consideration is also correct for upper-located
layers. A fundamental solution of Helmholtz equation in the form
of convergent series is obtained for a planar-stratified model
under normal electromagnetic wave incidence in the vicinity of
the critical frequency fk. Dased on this solution, complex
reflection and transit factors are determined. A frequency
dependence of factors in the vicinity of fk is analysed in the first
approximation.

Список литературы
1. Бушулкин Н.И., Миркотан С.Ф. Искажения импульсного
радиосигнала в области критической частоты ионосферного слоя //
Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М,: Наука,
1976. Вып. 38. С. 194-199.
2. Намазов С.А., Орлов Ю.И., Федоров Н.Н. Искажения
радиоимпульсов при отражении от области максимума ионосферного слоя //
Радиотехника и электроника. М.: Наука, 1984. Т.29. Вып. 4. С.609-
619.
3. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в
плазме. М.: Наука, 1967. 683 с.
4. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере М.: Мир, 1973. 504 с.
5. Rydbeck O.E. The reflection of electromagnetic waves from
a parabolic ionized layer // Phil. Mag. 1943. Vol. 34. P. 342-348.
6. Куницын В.Е., Смородинов В.А., Усачев А.Б. Амплитудно- и
фазочастотные характеристики отраженных от ионосферы волн //
Радиотехника, 1987. №9. С. 61-63.
ь
'i ;м'..-Л.'ч Г!'--Г. 'hi.' v.;ii" •;•" ' ■■■'..Г1'И.""..'..'."
Г.-.: .';?' !", iTiO'i-.'.: -У1 ;.,-; ■•■ ,' .. ■: r\ ■':,';•;■'■ ;, "'
.'t'.i.:':',: ■':>bi)i' .-'.I''."{:■ . .: ••'■.•.."': . '■-'.".,-;-(Д .:■ ,''. .
<м '\u:- ;'■.■"',■-...• ';c'"... ■> .v::>' ■.-■ •• ■•.-. f,
■: ■ <H>i;k.iifr~i: .",?«?<•*■ :■■'>.'>;-! *-.v !; ..i;ji»-,> '•;,::■:■■■;■■;.■ ■,
■г-.;...!.';:.--"'.;ad<j-. . в • '-o: ;.:;■.;>ж.;:, гг :\.!**ад ~ v-

Р.Г.Минуллин
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ,
ОБНАРУЖИВАЕМЫХ В ИОНОСФЕРНЫХ РАДИОКАНАЛАХ
В декаметровом, а также в метровом радиоканалах существуют
сигналы, обусловленные регулярными слоями ионосферы,
спорадическим слоем Es, F - рассеянием, возвратно-наклонным рассеянием,
ионосферным рассеянием и метеорными следами [1]. Учитывая
особенности этих сигналов, можно организовать круглосуточную работу
декаметрового радиоканала на одной неизменной частоте [2]. Для
этого необходимо найти критерии распознавания сигналов и
определить условия адаптации радиоканалов для передачи информации.
Экспериментальные исследования особенностей различных
способов распространения радиоволн в декаметровом диапазоне были
выполнены на трассах Салехард-Тюмень (СТ) на частотах 8; 27; 40
МГц, Архангельск-Казань (АК) - 9; 14; 24; 40 МГц, Москва-Казань
(МК) - 5; 10; 15; 20 МГц, Москва-Одесса (МО) - 10; 15 МГц [3-6].
Измерения велись в летнее и зимнее время с 1972 по 19S7 годы.
Изучались суточные вариации амплитуд, распределения амплитуд и
флуктуационные характеристики принимаемых сигналов.
Рассмотрим особенности различных способов распространения
радиоволн, наблюдаемых в декаметровом диапазоне, на примере
радиоканала Москва-Казань на частотах 10 и 15 МГц при мощности
передатчиков 20 и 50 кВт, соответственно, полосе пропускания
регистраторов 20 Гц, предельной чувствительности каналов 0,03
мкВ, рабочем пороге 0,1 мкВ.
Регулярные слои ионосферы (E,F2) обеспечивают прохождение
радиоволн, если рабочие частоты / ннже максимально-применимой
частоты (МПЧ) для данного слоя. Это обычно имеет место в дневное
время, как видно из рис. 1а для канала 10 МГц, и летом (сплошная
линия) и зимой (штриховая линия), сигналы имеют среднюю амплитуду
(усреднение за реализацию в 100 с) более 200-400 мкВ, средний
период флуктуации составляет примерно 10 с. Эти условия являются
обычными для передачи информации в декаметровом радиоканале.
В ночные часы, когда МПЧ для регулярных слоев понижаются и
становятся меньше рабочей частоты, работу радиоканала может
временами обеспечивать спорадический слой Es, предельные частоты
которого достигают 10-12 МГц. Средние уровни амплитуды JSs-сигналов
могут меняться в динамическом диапазоне в 120 дБ, достигая 10000
мкВ. Сигналы с амплитудами менее 100 мкВ обусловлены рассеянием

на мелкомасштабной структуре слоя Е и имеют средний период
флуктуации около 5 с. Сигналы с амплитудами более 100 мкВ обусловлены
отражением от крупных неоднородностей слоя Es, имеют средний
период флуктуации около 10 с и более. Es-сигналы в случае отражения
ничем не отличаются от сигналов, отраженных от регулярных
ионосферных слоев, и без изменения режимов работы радиоканала могут
быть использованы для передачи информации.
0 U В 12 16 20 24
LT,4
Рис. 1. Суточные вариации летом (сплошные линии) и зимой
(штриховые линии): а - средних амплитуд сигналов, отраженных и
рассеянных ионосферными слоями и слоем Es на частоте 10 МГц на трассе
Москва-Казань, б - средних амплитуд возвратно-рассеянных сигналов
на частоте 15 МГц на трассе Москва-Казань, в - вероятности
появления сигналов F-рассеяния на частоте 10 МГц на трассе
Москва-Казань, г - средних амплитуд сигналов ионосферного рассеяния в
области Е на частоте 27 МГц на трассе Салехард-Тюмень
На декаметровых (и даже метровых) трассах имеет место
возвратно-наклонное распространение (ВНР) радиоволн [5]. При этом
сигналы передатчика, отразившись от ионосферного слоя (Е, F2 или

Е) рассеиваются земной поверхностью далеко за пунктом приемника
или передатчика, затем часть рассеянного сигнала вновь отражается
от ионосферного слоя и попадает на пункт приема. На трассе
Москва-Казань на частоте 15 МГц летом ВНР наблюдается круглосуточно
(см. рис. 16 - сплошная линия) за счет слоя F2, критические
частоты которого в течение суток меняются незначительно. Зимой ВНР
наблюдается только в дневное и сумеречное время (см. рис. 16 -
штриховая линия), так как вечером и ночью критические частоты
слоя F2 уменьшаются в несколько раз и не обеспечивают прохождения
радиоволн. При данном виде распространения радиоволн амплитуда
сигнала достигает 20-50 мкВ и меняется в динамическом диапазоне в
20-30 дБ (см. рис. 16), период фединга в среднем составляет 1 с.
Временами в канале появляются сигналы, обусловленные F-pac-
сеянием [7]. Наибольшая вероятность их появления Р приходится,
как видно из рис. 1в, на полночь и зимой (штриховая линия) и
летом (сплошная линия); измерения выполнены на частоте 10 МГц на
трассе Москва-Казань. Сигналы F-рассеяния возникают постепенно,
амплитуда их медленно нарастает в течение десятков минут и также
медленно убывает, длительность их существования достигает
нескольких часов. Амплитуда сигналов F-рассеяния на входе приемника
в среднем составляет 5-10 мкВ, иногда достигая 80-100 мкВ, сигнал
подвержен быстрым флуктуациям с периодом в 0,01-0,1 с. Сигналы
F-рассеяния уверенно и надежно распознаются, если в это время
отсутствуют сигналы, обусловленные регулярными слоями.
Круглосуточно в канале существуют сигналы ионосферного
рассеяния в области Е [3]. Как показано на рис. 1г по измерениям на
частоте 27 МГц на трассе Салехард-Тюмень, их уровень днем выше,
чем ночью, зимой (штриховая линия) амплитуды меньше, чем летом
(сплошная линия). Уровень сигнала меняется хаотически, средний
период фединга равен 0,1-0,5 с. Эти сигналы хорошо выделяются
только при отсутствии в канале сигналов, рассмотренных выше.
На фоне сигналов ионосферного рассеяния хорошо выделяются
сигналы, обусловленные метеорными следами [8]. Они на регистро-
граммах видны как отдельные всплески амплитуды с крутым передним
фронтом, который равен 0,1-0,5 с и экспоненциально спадающим
задним фронтом длительностью 1-10 с, иногда и более. На заднем
фронте, если он более 1 с, наблюдаются флуктуации амплитуды. Величина
всплеска амплитуды метеорного сигнала достигает 5-10 мкВ. В
суточных вариациях среднечасовой численности N метеорных следов
максимум приходится на 6 часов утра и минимум - на 18 часов
вечера, как это видно из рис. 2а. В годовых вариациях численности N
максимум наблюдается в июле-августе и минимум в декабре-феврале,

что иллюстрирует рис. 26. Данные, приведенные на рис. 2
получены нами на трассе Москва-Казань на частоте 40 МГц в 1960-64 гг.
На более низких рабочих частотах отражения от метеорных следов
бывают видны только при отсутствии более энергичных сигналов
отражений от регулярных слоев ионосферы, сигналов ВНР и F-pacce-
яния.
Описанные результаты являются типичными для наблюдений на
всех радиоканалах, перечисленных в начале статьи.
Если в радиоканале присутствуют сигналы, обусловленные
только одним видом распространения радиоволн, то канал можно
адаптировать под этот вид путем изменения амплитудного порога и полосы
пропускания тракта. Но если в канале наблюдается несколько видов
распространения радиоволн, то появляется необходимость их
распознавания с целью использования для передачи информации
превалирующего из них с учетом его особенностей.
N
150 \
1О0
50
0 4 8 12 16 20 24
1Т,Ч
й
Ш 1 Ш
Месяцы
Рис. 2. Вариации численности метеорных радиоотражений на частоте
40 МГц на трассе Москва-Казань: а - среднечасовой в течение суток,
б - среднемесячной в течение года
Наиболее полно вариации уровней принятых сигналов
характеризуются распределениями амплитуд. Анализу были подвергнуты
распределения амплитуд У-средней за стосекундные реализации по ста
отсчетам. Такое усреднение позволяет исключить быстрые замирания,
вызванные многолучевостью.
При распространении радиоволн обычно имеют место два
процесса: рассеяние и отражение, каждый со своими закономерностями и
особенностями.
Как показало математическое моделирование, и логарифмически
нормальная, и рэлеевская масштабные сетки весьма чувствительны к
сумме двух интегральных распределений, если распределения не сов-

падают полностью и конечные интервалы первого распределения
перекрываются начальными интервалами второго распределения. Тогда в
суммарном интегральном распределении появляется перегиб, где
вторая производная меняет свой знак. Эта точка перегиба является
границей между первым и вторым распределениями, здесь события
первого и второго распределений равновероятны.
Если мы имеем дело с одним способом распространения
радиоволн, то можно предположить, что для него до точки перегиба
превалирует распределение амплитуд рассеянных сигналов, а после -
распределение амплитуд отраженных сигналов. Для проверки этого
положения были проанализированы результаты наблюдений на трассе
Москва-Казань на частотах 10 и 15 МГц. На рис. 3 с использованием
рэлеевской масштабной шкалы приведены в качестве примера
интегральные распределения средних амплитуд U сигналов на трассе
Москва-Казань на частоте 10 МГц (МК-10), полученные в августе 1979 г.
для интервалов 0-6, 6-12, 12-18 и 18-24 часов. Из этого рисунка
видно, что все распределения имеют две точки излома (обозначены
стрелками): в области малых амплитуд (5-20 мкВ) и в области
средних амплитуд (50-250 мкВ). Для каждого шестичасового интервала
времени распределения амплитуд устойчиво повторяются в течение
всего лета от месяца к месяцу н ночные распределения существенно
отличаются от дневных (см. рис. 3).
На всех распределениях P(U), представленных на рис. 3,
начальное (или пороговое) напряжение взято равным 4 мкВ. В этом
случае при существующей энергетике канала МК-10 из распределений
большей частью исключены сигналы, обусловленные различными
механизмами ионосферного рассеяния и метеорными следами. Поэтому с
использованием данных ионосферной станции Горький, находящейся
вблизи центра трассы Москва-Казань, можно считать, что
распределение P(U) для 0-6 и 18-24 часов обусловлены, в основном,
сигналами, рассеянными и отраженными слоем Es, а в распределении P(U)
для 6-12 и 12-18 часов участвуют дополнительные сигналы,
отраженные слоями Е и F2.
Днем случаи отражения от слоев Е, Es и F2 встречаются чаще,
поэтому онн на рис. 3 составляют большую часть общего
распределения РЩ) для 6-12 и 12-18 часов (примерно 70%). В интервале 0-6
часов отражения от слоя Es редки и составляют примерно 15%, а в
интервале 18-24 часов составляют примерно 35%. Граница между
рассеянными и отраженными сигналами в канале МК-10 (на рис. 3
отмечена крестиками) ночью при почти отсутствующем поглощении
находится около 80-100 мкВ, а днем - около 40-50 мкВ.

* ю го w too гоо^оо зоо
Рис. 3. Интегральные распределения средних амплитуд сигналов на
частоте 10 МГц на трассе Москва-Казань для интервалов суток: 1 -
0-6 часов, 2 - 6-12 часов, 3 - 12-18 часов, 4 - 18-24 часа
Для дополнительной проверки предположения о точке перегиба
как границе между рассеянными и отраженными сигналами были
рассмотрены распределения V для канала МК-10, полученные в интервале
10-14 часов в июле 1979 г. и изображенные на рис. 4а сплошной
линией. В это время на частоте 10 МГц по данным станции Горький
могло быть только отражение от слоя F2. Как видно из рис. 4а,
распределение U ) практически полностью однородно и в нем
доминируют отраженные сигналы (более 20 мкВ), и только на уровне менее
4% обнаруживаются случайно попавшие сигналы рассеяния; граница
между рассеянием и отражением в виде точки излома (обозначено
стрелкой) приходится на уровень в 20 мкВ. Зимой (см. на рис. 4а
штриховую кривую P(U) для декабря 1979 г. за интервал 10-16
часов) эта граница из-за уменьшения поглощения повышается до 100
мкВ.

На распределениях P(U) в области малых амплитуд можно
обнаружить влияние и других рассеивающих механизмов. В качестве
примера на рис. 46 приведены P(U) для радиолинии МК-15 с пороговым
напряжением 0,2 мкВ, полученные в декабре 1979 г. для 0-6
(сплошная линия) и 18-24 (штриховая линия) часов, когда отражения от
регулярных слоев отсутствуют. На распределениях около 1 мкВ виден
излом, обозначенный стрелкой, который обусловлен метеорными
отражениями, ибо распределение метеорных отражений, представленное
на рис. 46 линией с крестиками, заканчивается около 4 мкВ.
Излом около 6 мкВ на распределениях P(U) для 18-24 часов (штриховая
линия) вызван сигналами возвратно-наклонного рассеяния (ВНР),
амплитуды которых в этом канале не превышают 20 мкВ. На РШ) для
/ - лето
г - Jt//fo
40 tOO WOtOOO £/t»*B
а
Р/ I-метеор*
г-о+бч
3-t8+2*it
о.2 об г
6
го й*кз
Рис. 4. Интегральные распределения средних амплитуд сигналов: а -
рассеянных и отраженных слоем F2 на частоте 10 МГц на трассе
Москва-Казань для лета (1) и зимы (2), б - на частоте 15 МГц на
трассе Москва-Казань, отраженных метеорными следами (1) и
рассеянных ионосферой в интервале 0-6 часов (2) и 18-24 часа (3)

0-6 часов (сплошная линия) этот излом не обнаруживается, так
как в данном интервале времени сигналы ВНР отсутствуют, они
начинают появляться позже 6 часов, что следует из регистрации
импульсных сигналов. В интервалах 0-6 и 18-24 часа существуют
сигналы F-рассеяния, в канале МК-15 они по амплитуде не превышают
80-100 мкВ и обуславливают P(U) в области амплитуд до 20 мкВ на
рис. 46.
Таким образом, этот анализ еще раз подтверждает, что
изломы на интегральных распределениях P(U) обусловлены различными
способами распространения радиоволн, дифференциальные
распределения средних амплитуд в этих случаях становятся многомодальными.
Для исследования частотной зависимости были рассмотрены
интегральные распределения P(U) для шестичасовых интервалов суток
для радиолиний АК-9 (август), МК-10 (июнь, июль, август), МО-15
(июнь, август), МК-15 (июнь, июль, август), МК-20 (июль, август).
На них также четко проявились точки перегиба, как границы между
процессами рассеяния и отражения для сигналов, обусловленных
слоями Е, F2 и Es. Соответствующие точкам перегиба средние амплитуды
U и вероятности Р на интегральных распределениях,
полученных на перечисленных радиолиниях путем обобщения за несколько
месяцев, приведены в таблице.
Радиолинии в таблице расположены по мере увеличения
соответствующих им / (/„„,,=//Sec^>, где <р - угол падения луча на слой на
высоте 100 км на данной трассе). Видно, что с ростом / из
канала исчезают отражения от регулярных слоев и увеличиваются Р
для слоя Es. Во всех каналах днем случаи появления сигналов,
обусловленных слоем Es, значительно выше, чем ночью, вечером выше,
чем утром. При наличии регулярных слоев величина Р равна
примерно 30%. Когда в канале регистрируются только Es-сигналы, то с
ростом / увеличивается Р , то есть уменьшается количество
случаев отражения. Это обусловлено тем, что при увеличении /экв
(или рабочей частоты /) увеличивается полупрозрачность слоя Es,
поэтому случаи полного отражения становятся редкими, и начинают
доминировать процессы рассеяния радиоволн от не очень плотных
облаков Es.
Таким образом, если на низких рабочих частотах каиал
значительную часть времени находится ниже МПЧ регулярных слоев, то на
высоких частотах канал оказывается выше МПЧ регулярных слоев. В
этом случае можно использовать другие способы распространения
радиоволн: F-рассеяние, возвратно-наклонное рассеяние,
ионосферное рассеяние в области Е, метеорные следы. Но это рассеивающие
механизмы распространения радиоволн, они обеспечивают меньшую

Таблица
Параметры точек перегиба на интегральных распределениях
средних амплитуд сигналов, полученных на различных трассах
и частотах в шестичасовых интервалах суток
Интервал суток
часы
0-6
6-12
12-18
18-24
0-6
6-12
12-18
18-24
0-6
6-12
12-18
18-24
0-6
6-12
12-18
18-24
0-6
6-12
U ,мкВ
пер'
Р ,%
пер'
Архангельск-Казань, 9 МГц
50
40
40
54
70
30
б
35
Москва-Казань, 10 МГц
110
42
36
112
90
30
28
65
Москва-Казань, 15 МГц
105
80
88
113
60
30
23
43
Москва-Казань, 15 МГц
110
81
107
ПО
96
70
50
90
Москва-Казань, 20 МГц
49
94
99
94
Механизм
распространения
Es
Es,E
Es,E
Es
Es
Es,E,F2
Es,E,F2
Es
Es
Es,E,F2
Es,E,F2
Es,F2
Es
Es
Es
Es
Es
Es
энергетику сигнала и меньшую полосу пропускания. Поэтому
необходимо принимать меры к соответствующей адаптации радиоканала:
понижение рабочего порога, сужение полосы пропускания,
использование АРУ и т.д. Степень и продолжительность адаптации будут
зависеть от превалирующего способа распространения радиоволн и могут
меняться в течение суток для обеспечения круглосуточной работы
радиоканала на постояиной частоте.
Abstract
Amplitude variations of signals reflected by regular
ionospheric layers are considered as well as stipulated by sporadic

Es layer. F-spread, back-oblique scattering, ionospheric
scattering and meteor trails, which are detected in radio channel of
decameter and meter radiowaves. The criterions of them
identification for subsequent adaptation of radio channel are determined.
Список литературы
1. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Шерстюков О.И. Способы
распространения радиоволн на метеорно-ионосферных трассах //
Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т, 1987.
№20. С.58-68.
2. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Сюняев Р.З., Шерстюков
О.И. Круглосуточная радиосвязь на постоянной частоте декаметрово-
го диапазона // Электросвязь. М.: Сов. радио, 1988. №11. С.14-17.
3. Ананьева М.П.,Бойков В.И.,Керблай Т.С.,Кацевман М.М.,
Коровин А.В., Курганов Р. А., Лукин И.В., Минуллин Р.Г., Носова
Г.Н. // Комплексное зондирование ионосферы на трассе 1050 км //
Актуальные вопросы распространения декаметровых волн. М.: ИЗМИ-
РАН, 1973. С.137-140.
4. Керблай Т.С., Козлов Е.Ф.,Лещенко Н.В..Минуллин Р.Г., На-
сыров A.M., Носова Г.Н., Подольская Т.Я., Саморокин Н.И.
Результаты экспериментального исследования КВ-сигналов, отраженных
слоем Es // Траекторные характеристики коротких радиоволи. М.: ИЗ-
МИРАН, 1978. С.41-49.
5. Керблай Т.С, Минуллин Р.Г., Мадиев Н.Г., Носова Г.Н. Об
одном из способов распространения коротких радиоволн в сумеречный
период на радиолинии Москва-Казань. // Распространение
декаметровых волн. М.: ИЗМИРАН, 1982. С.5-15.
6. Керблай Т.С., Минуллин Р.Г., Михайлова И.Б., Носова Г.Н.,
Панченко В.А., Панюта И.Н., Патоков Л.Ф., Суслов Л.П. Анализ
комплексного эксперимента по исследованию сигналов, отраженных
слоем Es на линии Москва-Одесса // Дифракционные эффекты
коротких радиоволн. М.: ИЗМИРАН, 1981. С.12-18.
7. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н. / / Проявление F-рассеяния в
декаметровом диапазоне // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т.25.
№5. С.856-858.
8. Минуллин Р.Г., Белькович О.М. Численность отражений на
частоте 40 МГц на метеорных трассах Москва-Казань и Одесса-Казаиь
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан.ун-т, 1973.
№9. С.70-85.

III. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И СЛОЙ Es
Ю.Н.Кореньков
ВЛИЯНИЕ СКЛОНЕНИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
НА ПАРАМЕТРЫ СЛОЯ Е
5
Несмотря на то, что теория среднеширотного спорадического
слоя Е достаточно развита и неоднократно изложена в ряде обзорных
работ, например [1, 2], теоретически до конца не разработанными
остаются некоторые вопросы, связанные с более точным учетом
параметров магнитного поля, а также вертикальных волновых движений
нейтрального газа. Так в теоретических работах, перечисленных в
[1, 2], все выводы, касающиеся процессов образования слоя
повышенной ионизации под действием горизонтальных нейтральных ветров,
получены в пренебрежении эффектами склонения геомагнитного поля,
т.е. подразумевается, что геомагнитный и географический полюса
совмещены. На высотах, где электроны являются замагниченными, а
ионы не замагничены, учитывается только перпендикулярная
магнитному полю компонента скорости нейтрального ветра. В
экспериментальных работах [3-5], посвященных исследованию параметров
движения нейтрального газа на высотах образования слоя Е , зональные и
меридиональные компоненты скоростей нейтрального ветра приводятся
в географической системе координат. Таким образом, в общем случае,
зональная компонента скорости нейтрального ветра не
перпендикулярна геомагнитному полю, и это необходимо учитывать в расчетах
параметров слоя Е . Исследованию влияния эффектов склонения на
параметры слоя Е такие, как высота образования и концентрация
заряженных частиц в максимуме слоя, и посвящена данная работа.
Выберем систему координат с осью г, направленной вверх, у -
на восток, х - на юг. Наклонение I - положительно в северном
полушарии, склонение D - положительно, когда вектор магнитного поля
В отклоняется к востоку. В этой системе координат уравнение для
вертикального распределения электронной концентрации, в
простейшем случае [1] с учетом склонения имеет вид:
/•/8, с os I с \
N(z) = Яехр-р U-sin DVnx-cos DVny)dzj. (I)
а
В этом выражении Da=xTn/Mtvin - коэффициент амбиполярной
диффузии, /3f-Sl,/vtn - отношение гирочастоты ионов й( к частоте
столкновений ионов с нейтральными частицами v|n, R - постоянная
интегрирования. Уравнение (1) получено в предположении, что
/3.sin 7«1 и вертикальные движения нейтрального газа не
существенны в рассматриваемой области высот.

Полагая, что вертикальный профиль скоростей нейтрального
газа описывается зависимостями
пх аЯ ~ ' пу уО *
где V^, V - амплитуды, а к - волновое число, равное ^j-, X -
длина волны в вертикальном направлении, и выполняя интегрирование
(1), получим
,pcosI ч
N(z) = R ехр •{ — ^aosin D cos{kz-¥<p)+V cos D cos kz)>.
/^cos I
kD
a
Это выражение можно преобразовать к виду:
N(z) = N/htd^expid^cosikz-e)-!)}, (2)
здесь
В.cos /
<5, = ^ А,
1 kD
a
А = (V^sin^+V^cos^+r V *m2Dcos<p)1
хЧ уО ю уО т
V .cos D+7 .sin I? cosp
cos
a _ yO xO
A
iV0 - начальное распределение ионизации.
Проанализируем полученное выражение (2), описывающее с
учетом склонения вертикальное распределение ионизации при наличии
синусоидальной вертикальной зависимости горизонтальных скоростей
нейтрального газа.
Видно, что структура этого выражения аналогична выражению,
приведенному в [1], которое имеет следующий вид:
N(z) = NQy/2Ji6 exp{<S(cos Jfez-1)}, (3)
где
д = (fyosIV^/ikDJ.
Из сопоставления выражений (1) и (3) следует, что в общем случае
склонение влияет как на максимальную величину электронной
концентрации в слое Е , так и на высоту образования этого слоя.
Рассмотрим влияние склонения на амплитуду А. Чтобы упростить
анализ, предположим равенство амплитуд зональной и меридиональной
компонент скорости нейтрального газа, т.е. V^V^V- Тогда
А = W1 + sin 2D cos (p (4)
видно, что А, следовательно и <5 , могут быть равны нулю в
зависимости от соотношения между углами D и <р. Если сдвиг фаз между

компонентами нейтрального ветра отсутствует, т.е. <р=0, то при
D~-45°, A~0, <$j~0 слой повышенной электронной концентрации
образовываться не будет. Если сдвиг фаз между зональной и
меридиональной компонентами скорости нейтрального газа составит ~90°, то
cos <p~0 и <5j не зависит от склонения. Если <р принимает другие
значения, то 31 будет равно нулю при условии, когда
sin2Dcoso> = -1, D = ^arcsinf- * 1.
г 2 ^ COS^>j
Отношение максимальной электронной концентрации N к
концентрации начального распределения для случая (р=0 дается выражением
-==11-* VVl+s\n2D\ .
Nn I D J
0 a
Видно, что это отношение слабо зависит от склонения D.
Рассмотрим, как влияет склонение на высоту образования слоя
Е . Из выражения (2) следует, что слой повышенной ионизации
наиболее отчетливо будет возникать там, где cos(Jfc2-0) = l, т.е. кг=в.
Из этого условия получаем соотношение, связывающее высоту
образования слоя Eg и склонение D. Для случая равных амплитуд, У^-У^
имеем:
cosD+sin Dcosy»
cos kz - .
m V1 +sin 2 cos f
Если <р-л/2, то вышеприведенное выражение сводится к соотношению
г = Ш, (5)
м 2л
В случае неравных амплитуд Ух0*Уу0> условие для определения
высоты максимума слоя выглядит следующим образом:
V
z = — arccos
7Т1
1
2л lA+(rigD)2.
Г = -^. (б)
Сравнение выражения (5) с соответствующим результатом,
получающимся из (3), когда z°=0,A,... показывает, что при учете
склонения слой образуется либо выше, либо ниже высоты z°. Смещение
высоты пропорционально углу склонения.
В случае, когда сдвиг фаз между компонентами скоростей
нейтрального газа отсутствует, т.е. <р=0, условие для высоты
максимума слоя повышенной концентрации электронов выглядит следующим
образом:
cosfcz = 1, откуда z = О, А,...
Этот результат совпадает с тем, который следует из (3), поскольку
отсутствие сдвига фаз означает, что в образовании слоя Е
фактически участвует только одна компонента скорости нейтрального
ветра, перпендикулярная магнитному полю.

Обсудим полученные результаты. Как уже упоминалось выше,
пренебрежение склонением геомагнитного поля в работах по теории
образования слоя Е$ вследствие ветрового сдвига, основано на
предположении малости угла склонения в средних широтах для ди-
польного геомагнитного поля. Однако реальное геомагнитное поле
значительно отличается от дипольного из-за наличия различного
рода аномалий. Это приводит к тому, что даже в средних широтах
угол склонения может быть несколько десятков градусов [6], что
заметно повлияет на параметры слоя Е .
Разность фаз ~90", между компонентами скоростей
нейтрального ветра, для которой выполнен основной анализ, вытекает как из
рассмотрения теории распространения волн в нейтральной атмосфере,
например в [7], так и из экспериментальных данных, например [3],
где приведены высотные профили скоростей нейтрального ветра.
Сделаем численные оценки описанных выше эффектов. Из формулы
(5), полагая А~30 км, D~№, получим z =2,5 км, что сравнимо с
характерной толщиной слоя Е . Если предположить, что амплитуды
компонент скорости нейтрального ветра не равны, и отношение г в
формуле (6) равно 2, то при тех же данных А и D, высота
образования слоя Е изменится уже на 5 км. С уменьшением отношения г,
будет уменьшаться и z . Чтобы оценить эффекты в изменении
концентрации, найдем отношение максимальной концентрации из выражения
(2) к аналогичному параметру из (3). В случае, когда V^V^,
получим:
N ,
—£ = V'l+sin 2-Dcosw.
№
m
Задавая у>~45с, D~10c, найдем, что это отношение составляет
примерно ±15%. Влияние склонения на амплитуду сильнее, если <р—»0.
Для того, чтобы получить более точные количественные оценки
рассматриваемых эффектов, были выполнены численные расчеты с
помощью модели, описанной в работе [8]. В этой модели, основанной
на численном решении уравнения непрерывности с учетом переноса
для металлических ионов и уравнения непрерывности для
молекулярных ионов в фотохимическом приближении, учтено влияние как
зональной, так и меридиональной компонент скорости нейтрального
газа. Параметры реального магнитного поля рассчитывались с
помощью численной модели Н.А.Цыганенко [9]. Результаты расчетов
суточной вариации параметров слоя Е , выполненные для
равноденственных магнитоспокойных условий представлены на рис. 1 (а, б).
Расчеты выполнены для двух пунктов, расположенных на одной
географической широте 50°, и двух долгот: 210е - штриховая линия,
300° - непрерывная линия. Пункты выбраны таким образом, чтобы па-

раметры магнитного поля различались только склонением;
применяемая модель нейтральной атмосферы не имеет долготных эффектов, а
одна и та же широта обеспечивает постоянство источника ионизации.
Следовательно, все отличия между кривыми обусловлены только
различием в склонении геомагнитного поля. В первой точке величина
склонения +25', а во второй (-25°). Параметры нейтрального ветра
примерно соответствуют полусуточной приливной гармонике с длиной
волны ~30 км, и амплитудной v"x0=^rv0=20 м/с, не зависящей от
высоты.
Из анализа рисунка видно, что в области высот 90-130 км
образуется два слоя повышенной электронной концентрации, которые с
течением времени опускаются вниз. Эффекты склонения заключаются в
том, что в точке, где D=+25°, как верхний, так и нижний слой
образуются на большей высоте, чем в точке, где D=-25°. Это различие
в высотах образования слоев максимально на высоте ~125 км и
составляет ~5 км. По мере опускания слоев разница в высотах
образования Es уменьшается и полностью исчезает на высотах ~93 км, где
влияние горизонтальных ветров на вертикальную скорость ионов
становится незначительным. Эффекты склонения в величине максимальной
электронной концентрации оказываются неодинаковыми для нижнего и
верхнего слоя Е . Так, в точке с положительным склонением
максимальная электронная концентрация в верхнем слое оказывается
меньше, а в нижнем слое - больше, чем N Е в точке с отрицательным
склонением. Это объясняется тем, что в образовании верхнего слоя
Eg большую роль играет компонента скорости нейтрального ветра,
параллельная геомагнитному полю, которая уменьшается при
положительном склонении и увеличивается при отрицательном. Для нижнего
слоя картина обратная. Этот слой формируется за счет
взаимодействия перпендикулярной к магнитному полю компоненты скорости
нейтрального ветра и полученные результаты подтверждают приведенные
выше аналитические выкладки.
Амплитуда вариаций N Е при изменении угла склонения в
пределах ±25° составляет "30%.
Таким образом, из приведенных результатов можно сделать
следующие выводы. Учет несовпадения геомагнитного и географического
полюсов, т.е. учет склонения, приводит к изменению как высоты
образования слоя Е , так и максимальной электронной концентрации
в таком слое. Численные оценки, выполненные для средних широт с
использованием параметров реального геомагнитного поля,
показывают, что эти изменения могут составлять ~4 км в высоте
образования и 30 % в концентрации электронов в максимуме слоя Е при
изменении угла склонения от -25е до +25°.

Рис. 1. Суточный ход максимальной концентрации (а) и высоты
максимума (б) слоя Es на широте 50° при воздействии полусуточной
гармоники приливного ветра. Штриховые кривые для долготы 210 ,
непрерывные кривые - 300°
Abstract
The effect of geomagnetic field variation on the Es layer
parameters is studied by analytical and numerical methods. It is
shown that the account of the variation angle brings about a
change in the height of the Es layer formation by a magnitude
compared with the thickness if the Es layer itself. Changes in
the maximum of electron concentration in the layer achieve a few
tens of per cents.

Список литературы
1. Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы
образования ионосферного спорадического слоя Е на различных
широтах. М.: Наука, 1976. 108 с.
2. Чавдаров С.С., Часовитин ЮЖ., Чернышева СП., Шефтелъ
В.М. Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. М.: Наука,
1975. 119 с.
3. Андреева Л.А., Катаеве Л.А., Комраков Г.П. и др.
Вертикальные профили ветра и образование слоя Е в средних широтах //
Геомагнетизм и аэрономия. 1973. Т.13. №6. С.1041 -1046.
4. Вергасова Г.В., Жовтый Е.И., Казимировский Э.С.
Эмпирическая модель общей циркуляции атмосферы на ионосферных уровнях
выше 100 км // Геомагнетизм и аэрономия. 1977. Т.17. №4. С.692-
699.
5. Кальченко Б.В., Кащеев Б.Л., Жуков В.В., Олейников А.Н.
Вертикальная структура скорости ветра в метеорной зоне. //
Метеорные исследования. М.: Наука, 1984. №9. С.89-97.
6. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Изд-во. ЛГУ, 1978.
591 с.
7. Чепмен С, Линдзен Р. Атмосферные приливы. М.: Мир, 1972.
295 с.
8. Кореньков Ю.Н. Формирование и динамика слоя металлических
иоиов под воздействием нестационарной зональной компоненты
нейтрального ветра // Ионосферные исследования. 1987. №42. С.81-89.
9. Цыганенке Н.А. Подпрограммы и таблицы для расчетов
.геомагнитного поля // Материалы мирового центра данных Б.М., 1979.
68 с.

А.Д.Акчурин, Е.Ю.Зыков, Н.А.Макаров,
Р.Г.Минуллин, Ю.И.Портнягин, О.Н.Шерстюков
БЫСТРЫЕ НИСХОДЯЩИЕ ДВИЖЕНИЯ СПОРАДИЧЕСКОГО
СЛОЯ Е ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛУСУТОЧНОГО ПРИЛИВА
1. Действие полусуточного прилива на формирование слоя Es в
соответствии с теорией ветрового сдвига (ТВС) исследовалось в
работах [1, 3, 4, 10, 12 и других]. Но совпадение моментов времени
ожидаемого появления Es -слоев на предсказываемых ТВС высотах и
действительного появления их на ионограммах отмечалось лишь в
редких случаях. Такое расхождение можно объяснить сильным
долготным разнесением (более 3000 км) между областями измерений
параметров слоя Es и скорости ветра в метеорной зоне (80-120 км) [4]
и кратковременностью измерений [3].
В предлагаемой работе продолжено изучение воздействия
приливов на суточные высотные и частотные вариации параметров средне-
широтного слоя Es по данным близкорасположенных (600 км)
радиометеорной локационной станции (РМЛС) и ионосферной станции в
течение месячного интервала измерений.
2. Для анализа использовался массив значений истинной высоты
hEs и предельной частоты foEs слоя Es. Истинные высоты
определялись путем пересчета действующих высот h'Es по методике [18].
Измерения ионосферных параметров проводились круглосуточно в
течение июля 1993 г. с помощью ионосферного комплекса "Циклон" [11],
расположенного близ Казани (55°N, 49°E). Причем ионосферный
комплекс "Циклон" позволяет определять высоту слоя на ионограмме не
по нижней границе, а по максимуму отраженного сигнала. Это дает
возможность снизить ошибки определения высоты отражения до 2,5 км.
Массив значений скоростей нейтральных компонент ветра в
метеорной зоне получен в результате измерений на РМЛС,
расположенной в Обнинске (55°N, 38°E). Из-за отсутствия высотомерного
устройства на РМЛС, данные о ветре приписываются средней высоте,
равной 95 км, так как основная масса метеоров появляется в
высотном интервале 80-110 км [6, 13].
Расстояние между областями, наблюдаемыми ионосферной
станцией и РМЛС, в данном случае составляет около 500 км, что делает
сравнительный анализ результатов их измерений репрезентативным,
т.к. пространственные масштабы пульсаций параметров полусуточного
прилива составляет примерно 1500 км [7].
3. На высотах от 95 км до 120 км положительные ионы
представляют слабо замагниченную компоненту плазмы [1], поэтому со-

гласно ТВС в этом высотном интервале положительные долгоживущие
ионы будут накапливаться на такой высоте, выше которой расположен
западнонаправленный нейтральный ветер (увлекаемые им ионы
двигаются вниз), а ниже - восточнонаправленный (ионы двигаются вверх).
Точка реверсии в этом профиле скорости зонального ветра
называется конвергирующим узлом [9, 12] зонального ветра. Точку реверсии
при обратном сочетании (восточнонаправленный ветер расположен
выше западнонаправленного), где концентрация ионов понижается,
назовем дивергирующим узлом зонального ветра.
На высотах выше 120 км плазма является сильно замагниченной,
поэтому перераспределение ионов происходит под действием
меридиональной составляющей ветра. В этом случае конвергирующий узел
имеет место, когда северонаправленный ветер расположен выше
южнонаправленного, а дивергирующий - при противоположном сочетании
ветров.
Длительные наблюдения за ветром в метеорной зоне показывают,
что основной вклад в приливные движения вносит полусуточная
гармоника [13, 14]. Согласно классической теории приливов
полусуточный прилив представляет собой суперпозицию различных мод [14, 15],
из которых основной вклад в полусуточный прилив на средних
широтах дают моды (2,2), (2,4), (2,6) [8]. Каждой моде прилива
соответствует свое значение нисходящей фазовой скорости, а именно
12,5; 4,0; 2,5 км/ч соответственно для мод (2,2), (2,4), (2,6). И
если 2?з-слои были образованы в конвергирующих узлах какой-либо
приливной моды, то они должны опускаться с той же вертикальной
скоростью, что и ветровые узлы. Это будет происходить до
определенной высоты, где из-за увеличения частоты соударений ионов и
нейтральных частиц с понижением высоты конвергирующие узлы
окажутся не в состоянии увлекать за собой эти слои. Значение такой
высоты, названной демпинговой [12], зависит от фазовой скорости. Для
приливных мод с фазовой скоростью большей 3,6 км/ч демпинговая
высота располагается около высоты 100 км, а меньше этой величины
- в интервале 90-95 км [3].
Данные Обнинской РМЛС описывают осредненную скорость ветра
для высоты 95 км, поэтому определение высотного (вертикального)
расположения узловых точек возможно только на основе
теоретического представления полусуточного прилива. Легко установить, что
конвергирующий узел зонального ветра располагается на одной
высоте с максимумом скорости меридионального ветра в южном
направлении, а дивергирующий узел - с максимумом в северном направлении
[21]. Сокращенно первый узел будем называть S-узлом, а второй -
N-узлом. Для меридионального ветра: конвергирующий узел располо-

жен на одной высоте с максимумом зонального ветра в западном
направлении, поэтому имеем W-узел, а дивергирующий - с максимумом в
восточном направлении, поэтому имеем Е-узел.
4. Из-за различия в условиях образования все Us-следы
разбивались на два вида. Первый вид нами условно назван "основным".
Днем он обычно представлен 2?5-слоем типа "с", а ночью - типа "/".
При отсутствии этих следов на ионограмме за основной принимается
Es любого другого типа, например "/". Es-слои, которые по ряду
причин не могут быть причислены к основному (например, на
ионограмме присутствуют следы двух iTs-следов) относились к виду,
названному "сопутствующим". К нему относились в первую очередь
последовательный Es [2, 20] (слой, след которого на ионограмме
имеет форму серпика, расположенного между следами слоев Е и F) и
дополнительный Es [2] (верхний из двух наблюдаемых на ионограмме
следов). К сопутствующим относились также случаи появления Es
"Г'-типа во время присутствия на ионограмме основного следа.
Кратные отражения не рассматривались.
5. Действие полусуточного прилива на суточные вариации
высотных и частотных параметров слоя Es изображено на рис. 1 по
данным наблюдений за 3 июля (вторая половина дня) и 4 июля
(полный день) 1993 г. На рис. 1а представлены суточные вариации
меридиональной (сплошная линия) и зональной (штриховая линия)
компонент скорости ветра в метеорной зоне на высоте 95 км. Видно, что
в изображенных вариациях скорости ветра преобладает полусуточная
гармоника. Моменты времени, отмеченные на рис. 1 а-д вертикальной
штриховой линией, соответствуют тем моментам, когда 5-узел,
играющий основную роль в образовании lis-слоев, пересекает высоту 95
км (или когда полусуточная составляющая меридиональной компоненты
ветра имеет максимальное значение в южном направлении).
Для выявления возможного влияния каждой моды полусуточного
прилива на вариации высоты слоя Es штриховыми линиями нанесены
траектории спусков различных узлов мод (2,2), (2,4), (2,6) на
рис. 1 б,в,г соответственно. Эти траектории проведены таким
образом, чтобы они пересекали высоту 95 км в те моменты времени,
которым соответствуют максимумы скорости полусуточного прилива в
четырех направлениях на север, восток, юг и запад.
Соответствующие этим направлениям траектории узлов помечены в верхней части
буквами N, E, S, W. Для упрощения рисунка спуски узлов моды
(2,4), (2,6), изображенные соответственно на рис. 1 в,г,
представлены спусками только S-узла.
Кроме траекторий спуска различных узлов на рис. 1 б,в,г
изображены суточные вариации истинной высоты сопутствующего слоя Es
(толстая линия) и основного слоя Es (тонкая линия).

V, U м/с
120
ВО
1 а! * »•
I I I I I I I I I I
hEs,»*
160
•s
X нц
\
В 120 *" ~ - _*\_, V
*"-•
i i i i i i i i—i i i i
Ж М
■I- ) -I I I I—Н-»—I—> I I
\ :-s--.\
> i i i i i i i i—i i i i i i
Д з.о
•.'•• Ч,\
-*-Ч—1—1—I—ИЧ—1—1—I—У
I I > ■ I I Л I—Y—\—Н-+
-1—1—I I I I I I !■■ I" 'I
И ПАЯ
ИЮЛЯ
июля
Рис, 1: а) суточные вариации мериодиональной (сплошная линия) и
зональной (штриховая линия) компонент скорости ветра в метеорной
зоне на высоте 95 км за 3-4 июля 1995 г.; б) траектории спусков
N, Е, S, W-узлов (штриховые линии) приливной моды (2,2); в)
траектории спусков j-узлов (штриховые линии) приливной моды (2,4);
г) траектории спусков 5-узлов (штриховые линии) приливной моды
(2,6); д) суточные вариации предельной частоты основного (тонкая
линия) и сопутствующего (толстая линия) слоев Es

На рис. 1 д тонкой линией изображены суточные вариации
предельной частоты foEs основного слоя Es, а толстой линией -
частотные параметры сопутствующего слоя Es, т.е. критическая частота
Es-слоя последовательного типа или предельная частота Us-слоя
дополнительного типа.
Сравнительный анализ этих рисунков показывает, что ни одна
мода, взятая отдельно, не может объяснить вариации высоты слоя
Es. Как видно из рис. 1 в, с модой (2,4) можно связать лишь
небольшие участки медленного спуска, которые помечены знаком "х"
под горизонтальной осью. Однако большую часть времени медленное
опускание слоя Es происходит со скоростью, близкой к фазовой
скорости моды (2,6), но связать этот медленный спуск с ней мешает
очень большое расхождение во времени (6 п) между траекториями
спуска S-узла и слоя Es (см. рис. 1 г). Кроме того, это несколько
противоречит данным наблюдений за термомезосферным ветром,
согласно которым вертикальная длина волны полусуточного прилива
(равная произведению фазовой скорости на 12 часов) летом
превышает 100 км [6, 16], тогда как для моды (2,6) она значительно
меньше 100 км. Подобное несоответствие обнаруживается также в [4, 5].
Его можно разрешить, если допустить, что амплитуда моды (2,6)
меньше амплитуды моды (2,2), что не позволяет определить фазу
моды (2,6) из-за отсутствия на Обнинской РМЛС высотомера.
Более подробно рассмотрим действие моды (2,2) на вариации
параметров слоя Es, так как с этой модой можно связать все
быстрые нисходящие движения основного и сопутствующего слоев Es,
длящиеся не более 1-2 часов. Из рис. 16 видно, что одна часть таких
спусков происходит выше 120 км (область меридиональной сгонки), а
другая - ниже (область зональной сгонки), что может объясняться
действием различных узлов. Спуски ниже 120 км помечены одиночной,
а выше - двойной линией под горизонтальной осью рис. 1 б.
Рассмотрим сначала спуски, происходящие на высотах выше 120
км утром (5-6 h LT) и вечером (18-19 h LT), и изображенные на
рис. 1 б толстой линией (сопутствующий Es-слон). Траектория
спуска этого слоя располагается примерно параллельно траектории
спуска S-узла моды (2,2), что на первый взгляд противоречит выводам
ТВС, т.к. этот узел является дивергирующим. Однако, если
допустить, что на высоте этого узла Ne(h)~ профиль имеет небольшую
"долину", то ниже ее может появиться небольшой "выступ", наблюдаемый
на монограмме в виде слоя- серпика. На скорость опускания этого
слоя будет оказывать влияние не только фазовая скорость прилива,
но и величина скорости преобладающего меридионального ветра на
данных высотах, из-за чего скорость спуска может быть больше фа-

зовой скорости прилива, и траектория движения этих слоев может
быть не совсем параллельной движению .Е-узла. Назовем такие спуски
со скоростью, превышающей фазовую скорость моды (2,2),
"сверхбыстрыми". Спуски со скоростью, равной фазовой скорости моды
(2,2), будем называть "быстрыми", а с меньшей скоростью -
"медленными".
Значения критических частот таких слоев-серпиков,
изображенные на рис. 1 д толстой линией, имеют небольшие величины
(превышают foE только на 0,2-0,5 МГц). Это объясняется с одной стороны
тем, что узел Е является дивергирующим, а с другой - невысокой
концентрацией металлических ионов на высотах выше 120 км.
Ниже 120 км усиливается влияние зонального ветра, а влияние
меридиональной составляющей JE-узла ослабевает. Потому опускание
слоя-серпика замедляется, и под действием ветра, направленного на
северо-восток, образуется слой, наблюдаемый на ионограммах ВЗ как
Es-uiqh типа "с" [19]. После того, как сопутствующий Es-слой
превращается в основной (в 6 h и 18 h LT 4 июля на рис. 1 б),
последний продолжает опускаться в конвергирующем узле другой моды
прилива с более медленной скоростью.
Как видно из рис. 16, быстрые спуски днем (10-12 h LT) и
вечером (21-24 h LT), отмеченные одиночной линией под
горизонтальной осью, можно объяснить действием 5-узла, т.к. траектории
спусков Us-слоя и ветрового узла совпадают в высотном интервале 100-
120 км. Исключение составляет спуск сопутствующего .Es-слоя в 21-
22 h LT 3 июля, находящегося выше 120 км и помеченного одиночной
линией под рис. 16 слева. Для двух других спусков под действием
5-узла в интервале 100-120 км, отмеченных одиночной линией, можно
выделить следующие закономерности: спуску предшествует небольшой
подъем основного слоя Es, уже существовавшего до вхождения в этот
высотный интервал 5-узла; прекращается на высоте 100 км, которая
является для моды (2,2) демпинговой; во время спуска возможно
слияние двух Es -слоев: основного, существовавшего независимо от
5-узла, и сопутствующего (дополнительного), спускающегося вместе
с 5-узлом. В последнем случае видимое опускание сопутствующего Es
наблюдается только с 120 км, что можно объяснить одновременным
действием нескольких причин. А именно: экранированием нижележащим
основным Us-слоем, невысокой эффективностью конвергенции 5-узлом,
долгоживущих ионов выше 120 км, а также тем, что этим высотам
соответствует долина в Ne(h)-профиле между Е и F слоями. После
прохождения 5-узла дальнейшее опускание основного Es-слоя до высоты
95 км продолжается, по-видимому, под действием другой более
мелкомасштабной моды прилива, для которой демпинговые высоты
расположены ниже 100 км.

Предельные частоты основного и сопутствующего i?s-слоя во
время прохождения S-узлом высотного интервала 100-120 км
превышают значения foE примерно в 2-3 раза (см. рис. 1д). Когда же S-
узел снижается до высоты 95 км, значения предельных частот быстро
уменьшаются и становятся равными foE, что согласуется с ТВС.
Оставшиеся случаи появления сопутствующих iJs-слоев (помечены
звездочкой под горизонтальной осью рис. 16) можно связать с
прохождением W-узла, т.к. траектории этих Fs-слоев и W-узлов близки.
Как видно из рисунка, такие слои существуют не более 1 часа и
исчезают на высоте 115 км. Если предположить, что эти слои
образованы JV-узлом, то можно объяснить их свойства особенностями JV-узла
Поскольку JV-узел является конвергирующим на высотах выше 120 км,
то ниже этой высоты эффективность конвергенции W-узлом снижается.
Из-за чего ниже 120 км предельная частота iJs-слоя уменьшается,
что можно видеть на рис. 1 д в 3 h 4 июля и 2 h 5 июля.
Исключение составляют спуски JV-узла в 13-14 h LT 4 июля, когда Es-слок,
связанный с W-узлом, не наблюдался на ионограммах вовсе.
Отсутствие на ионограммах каких-либо iJs-слоев, движущихся
вместе с дивергирующим TV-узлом, можно объяснить двумя причинами:
пониженной концентрацией металлических ионов, оставшихся после их
вымывания конвергирующими 5- и W-узлами; экранированием
нижележащим Us-слоем. К действию /V-узла можно отнести только
исчезновение Us-слоя из высотного интервала 95-110 км (события помечены
двойной линией под рис. 16), что дало возможность наблюдать
спуски Es~слоев под действием .Е-узла.
6. К сожалению, на процессы в нижней термосфере оказывают
значительное влияние не только ветровые сдвиги, но и различные
фотохимические процессы, высыпания частиц, усиление напряженности
внешнего электрического поля, нелинейное взаимодействие
внутренних гравитационных волн и т.д., из-за чего явная взаимосвязь
вариаций ионосферных и ветровых параметров, рассмотренных выше,
наблюдается не постоянно. Для выявления этой взаимосвязи был
проведен статистический анализ месячного массива данных частотных и
высотных параметров слоя Es.
На рис. 2 а,д представлены суточные среднемесячные (июль
1993 г.) вариации меридиональной (сплошная линия) и зональной
(штриховая линия) компонент скорости ветра в метеорной зоне на
высоте 95 км. Положительными являются направления ветра на север
и восток соответственно. На рис. 2а-з также, как и на рис. 1,
вертикальные штриховые линии соответствуют моментам времени,
когда 5-узел полусуточного прилива пересекает высоту 95 км или
когда полусуточная гармоника меридиональной составляющей имеет
максимальное значение в южном направлении.

На рис. 2 б,е представлены вероятности появления P(hEs) для
основного Es и для сопутствующего Es соответственно при
выполнении условий: hEs>120 км (кривая 1), hEs>H0 км (кривая 2), hEs>
> 100 км (кривая 3). Ясно, что интервал между кривыми 2 и 3 будет
характеризовать вероятность появления Es в высотном интервале
100-110 км, а между кривыми 1 и 2 - в интервале 110-120 км.
Семейство кривых P(hEs) для основного Es (см. рис. 26) иллюстрирует
достаточно известный факт - наличие полусуточной составляющей в
суточных вариациях высоты слоя Es [17]. Для этой составляющей
характерно; что основной слой Es опускается с высот > 120 км утром в
6-7 h и вечером в 19 h LT (времена максимумов кривой 1) до
высотного интервала 100-110 км утром в 11 h и вечером в 23 h LT
(времена, когда расстояние между кривыми 2 и 3 максимально).
Семейство кривых P(hEs) для сопутствующего Es (см. рис. 2 е) имеет
более сложные суточные вариации. Это является следствием того,
что данный вид Es составлен из двух типов - последовательного и
дополнительного. Максимумы всех кривых достаточно острые и
расположены друг над другом. Это косвенно свидетельствует о том, что
спуски происходят достаточно быстро (10-20 км за час). Поэтому
максимумы этого семейства могут быть объяснены действием
различных узлов моды (2,2): в 5-6 h и 19 h LT (Е-узел), в 11 h и 22 h
LT (S-узел) и в 15 h LT W-узел).
На рис. 2 в,ж изображены вероятности появления P(foEs-foE)
для основного Es и сопутствующего Es соответственно при
выполнении условий: foEs-foE>5 МГц (кривая 1), foEs-foE>3 МГц (кривая
2), foEs-foE>l МГц (кривая 3), foEs-foE>0,3 МГц (кривая 4), foEs-
foE>0,l МГц (кривая 5). Для упрощения рисунка семейство кривых
P(foEs-foE) для основного Es не содержит малоинформативных для
данного анализа кривых 4 и 5, а семейство кривых для
сопутствующего Es - кривой 1. Кривые семейства P(foEs-foE) для основного Es
(рис. 2в) имеют примерно одинаковый вид с двумя максимумами в 0 h
и 9-12 h LT и определяются, по-видимому, комбинированным
действием нескольких мод полусуточного прилива. Например, появление
максимумов в 0 h и 12 h LT можно объяснить действием 5-узла моды
(2,2), а в 9 h - (2,6). Времена минимумов можно связать с
прохождением высотного интервала 95-100 км TV-узла моды (2,2). Введение
кривых 4 и 5 в семейство кривых P(foEs-foE) сопутствующего Es
(рис. 2 ж) позволило показать, что предельная (критическая)
частота последовательного Es лишь на 0,1-0,3 МГц превышает
критическую частоту слоя Е. Расположение максимумов кривых 2-5 совпадает
с расположением максимумов кривых семейства P{hEs) для .Es-слоев
того же вида и, следовательно, также может быть объяснено
действием узлов моды (2,2).

V. U, *,с ,'\ \
О fllllllllllljllllllLIIII 1Д
I Э 6 д 12 1Ё 16 21 LT.4
Рис. 2: а, д) суточные среднемесячные (июль 1993 г.) вариации
меридиональной (сплошная линия) и зональной (штриховая линия)
компонент скорости ветра в метеорной зоне на высоте 95 км;
вероятности появления P(hEs) для основного Es (б) и для сопутствующего
Es (е) при выполнении условий: h£s>120 км (кривая 1), hEs>H0 км
(кривая 2), hEs>lQQ км (кривая 3); вероятности появления P(foEs-
foE) для основного (в) и сопутствующего (ж) Es при выполнении
условий: foEs-foE>5 МГц (кривая 1), foEs-foE>3 МГц (кривая 2),
foEs-foE>\ МГц (кривая 3), foEs-foE>0,3 МГц (кривая 4), foEs-foE>
>0,1 МГц (кривая 5); вероятности появления P(vEs) для основного
Es (г) и для сопутствующего Es (з) при выполнении условий: vEs>!5
км/ч (кривая 1), vEs>№ км/ч (кривая 2), vEs>4 км/ч (кривая 3),
vEs>0 км/ч (кривая 4), vEs>-10 км/ч (кривая 5)

Для более точного определения влияния модового состава
полусуточного прилива в нашем анализе произведено вычисление
среднечасовых значений скорости vEs спуска Яз-слоев. На рис. 2 г,з
изображены вероятности появления P(vEs) для основного Es и
сопутствующего Es соответственно при выполнении условий: vEs>15 км/ч
(кривая 1), vEs>10 км/ч (кривая 2), vEs>4 км/ч (кривая 3), vEs>0
км/ч (кривая 4), vEs>-10 км/ч (кривая 5, отрицательная скорость
соответствует подъему Ii^-слоя). Ввиду малости значений
вероятностей P(vEs) для сопутствующего Es их масштаб изменен. Кроме того,
для упрощения рисунка семейство кривых P(vEs) для сопутствующего
слоя Es не содержит малоинформативных для данного анализа кривых
3 и 5, т.к. кривая 3 подобна кривой 2, а кривая 5 - кривой 4.
Кривая P(vEs>l5 км/ч) показывает вероятности спуска JEs-слоя
со скоростью, превышающей фазовую скорость моды (2,2), поэтому их
можно назвать "сверхбыстрыми". Как видно из рис. 2 г, такие
спуски основного iJs-слоя отмечаются, главным образом, в 6 h и 19 h LT,
что можно связать с описанными выше особенностями образования Es-
слоев под действием дивергирующего Е~узт, а также с возможными
ошибками при вычислении истинных высот.
Кривые P(vEs>l5 км/ч), P(vEs> 10 км/ч), P(vEs>4 км/ч),
показывают вероятности спуска Us-слоя со скоростью, превышающей
фазовые скорости моды (2,2), (2,4), (2,6) соответственно. Поэтому
интервал между кривыми P(vEs>l5 км/ч) и P(vEs> 10 км/ч)
соответствует вероятности спуска .Es-слоя со скоростью, близкой к фазовой
скорости моды (2,2), между кривыми P(vEs> 10 км/ч) и P(vEs>4 км/ч)
- близкой к фазовой скорости моды (2, 4), между кривыми P(vEs>4
км/ч) и P(vEs>0 км/ч) - близкой к фазовой скорости моды (2,6). Из
анализа кривых 1-4 (см. рис. 2 г) следует, что вероятность спуска
Es -слоев основного вида со скоростью, близкой к фазовой для моды
(2,6) (расстояние между кривыми 3 и 4), превышает в 2-3 раза
вероятности нисходящих движений со скоростями, близкими к фазовым
для мод (2,2), (2,4). Однако этот вывод не противоречит
результатам работ, выполненным ранее [4, 5], в которых обнаружено
доминирование моды (2,4) в спусках Es-слоеъ по данным летних
измерений, т.к. скорости спусков в этих работах определялись не по
истинным, а по действующим высотам.
Интервал между кривыми P(vEs>0 км/ч) и P(.vEs>-10 км/ч)
показывает вероятность подъема, а не спуска .Es-слоя. Движение Es-
слоев вверх в большинстве случаев, по-видимому, кажущееся. Оно
может быть вызвано появлением боковых отражений или отражений от
выше расположенных слоев и прекращением (ослаблением) отражений
от ниже или ближе расположенных слоев. Однако, как отмечалось в

[3], восходящие движения могут быть связаны с разрушением в
определенном высотном интервале какой-либо приливной моды и
перемещением долгоживущих ионов из ее конвергирующего узла в узел
другой приливной моды, расположенного выше. Анализ семейства кривых
P(vEs) для Es -слоев основного вида не позволяет выделить времена
наиболее частного появления восходящих движений (расстояние между
кривыми 4 и 5). Так случаи подъема Es-слоеъ днем встречаются чаще
(15%), чем ночью значений (5-10%), что, по-видимому, связано с
меньшей появляемостью £s-слоев на ночных ионограммах. Временами
наименьшего появления восходящих движений являются 6 h и 21 h LT,
что объясняется учащением в это время нисходящих движений (кривые
2-4) под действием узлов приливных мод.
Анализ кривых семейства P(vEs) сопутствующего Es (рис. 2 з)
позволяет подтвердить выводы о влиянии узлов моды (2,2) на
образование сопутствующего i?s-слоя, сделанные ранее при рассмотрении
семейств кривых P(hEs), P(foEs-foE). На основании этих выводов,
максимумы кривой 2 в 6 h и 18 h LT объясняются такой особенностью
JE-узла, позволяющей iJs-слоям, образованным под действием этого
узла, двигаться быстрее фазовой скорости рассматриваемой
приливной моды. Вечерний максимум кривой P(vEs) гораздо слабее
утреннего, что объясняется экранированием спусков нижележащими Es-
слоями. Максимумы в 8-10 h и 22 h LT связаны с прохождением S-уз-
ла, ав2пи15пЬТ- Р^-узлами (см. рис. 2з).
На рис. 2ж видно, что утренний максимум вероятности
появления P(foEs-foE) сопутствующего Es при условии foEs-foE>l МГц
(кривая 3), связанных с 5-узлом, больше ночного. Это можно
связать с двумя причинами: с утренним максимумом суточной вариации
числа сгоревших метеоров (основной канал поступления
металлических атомов и ионов) и с наличием днем солнечной радиации,
способной ионизировать металлические атомы. Однако сам вопрос о том
достаточно ли того количества металлических ионов, которое
присутствует в высотном интервале 95-120 км, для образования
интенсивных слоев Es, к сожалению, до сих пор является дискуссионным
[9].
7. Как видно из рис. 2, действие полусуточного прилива
(особенно моды (2,2)) проявляется в вариациях параметров слоя Es не
постоянно, что, по-видимому, связано с очень большим значением
вертикальной длины волны (150 км). Для образования интенсивного
слоя Es с типичным значением толщины для таких слоев в 3-5 км,
необходимы большие значения ветрового сдвига в конвергирующем
узле приливной моды, которым должны соответствовать чрезвычайно
большие амплитуды скорости приливной моды. Более реально предпо-

дожить, что формирование такого слоя будет происходить либо под
действием мелкомасштабных мод прилива, либо под действием ВГВ
неприливной природы. В таком случае сначала полусуточная мода
прилива (2,2) в большом высотном интервале проводит своеобразное
"траление" долгоживущих ионов, необходимых для образования
интенсивных слоев, и накапливает их в области своего конвергирующего
узла. Затем более мелкомасштабная ВГВ с большим значением
ветрового сдвига, возбужденная в этой области, сможет продолжить
сжатие накопленных приливом ионов в тонкий слой.
В литературе упоминаются другие механизмы, способствующие
образованию интенсивных Es-слоев. К ним можно отнести: резкое
усиление внешних электрических полей [1-3], что эквивалентно
усилению скорости ветра в конвергирующем узле; нелинейное
взаимодействие нескольких ВГВ, приводящее к конвергенции ионов не
только по вертикали, но и по горизонтали [1]; высыпание энергичных
частиц [2].
Постепенное опускание к демпинговым высотам слоев, созданных
при участии прилива, приводит к уменьшению и исчезновению этих
слоев под действием трех групп реакций рекомбинаций, эффективно
протекающих на этих высотах [9].
8. Итак, для объяснения наблюдаемых суточных вариаций
параметров среднеширотного слоя Es необходимо присутствие в высотном
интервале 95-120 км нескольких приливных мод.
Наблюдаемые свойства летних суточных вариаций параметров
среднеширотного слоя £5 во многих случаях объясняются действием
узлов полусуточной моды (2,2). А именно:
- появление в 6 h и 19 h LT сверхбыстрых спусков
последовательных Es-слоев в высотном интервале 120-160 км обусловлено
действием £-узла;
- появление в 8-11 h и 21-23 h LT быстрых спусков основного
JJs-слоя (в отсутствие дополнительного), либо дополнительного с
последующим слиянием этих слоев в высотном интервале 100-120 км
обусловлено действием 5-узла; значения foEs для этих Es-слоев
имеют повышенные величины в 0 h и 9-12 h LT, когда 5-узел
проходит высотный интервал 100-115 км, и снижаются до величины foE,
когда 5-узел опускается до высоты 95 км;
- появление в 3 h и 15 h LT быстрых и кратковременных
спусков £з-слоев в высотном интервале 110-120 км обусловлено
действием W-узла;
- исчезновение Es-слоеъ в высотном интервале 95-110 км
обусловлено действием N-узла при достижении им высоты 95 км (5-6 h и
17-19 h LT).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований (грант 94-05- 16090а).
Abstract
The comparison parameters of vertical movement Es-layer
calculated from ionospheric data given by ionosonde at Kazan (56°N,
49°E) during the summer 1993 with parameters of movement deduced
from measurements by meteor-radar at Obninsk (55°N, 38°E) is
carried out on the basis of tidal and the windshear theories. It was
found that for the certain time intervals of day the descents of
Es- layers and descents of various nodes of semiduirnal tidal mode
(2,2) are often simultaneous. It has allowed make the following
conclusions:
- the occurrence of superfast descents of the sequential
delayer (with velocity greater than downward phase velocity of mode
(2,2)) at 6 and 19 h LT in heights interval 120-160 km is linked
with action of divergent node meridional wind;
- the occurrence of fast descents of Es- layer (with velocity
closed to downward phase velocity mode (2,2)) in 8-11 h and 21-23
h LT is linked with action of convergent node of zonal wind.
Список литературы
1. Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х. Механизмы
образования ионосферного спорадического слоя Е на различных
широтах. М.: Наука, 1976. 108 с.
2. Чавдаров С.С., Часовитин Ю.К., Чернышева СП., Шефтель
В.М. Среднеширотный спорадический слой ^-области ионосферы. М.:
Наука, 1975. 120 с.
3. Mathews J.D., Bekeny F.S. Upper atmosphere tides and the
vertical motion of ionospheric sporadic layers at Arecibo // J.
Geophys. Res. 1979. V.84. № A6. P.2743-2750.
4. Фомичев В.И., Швед Г.М. О высоте и вероятности
образования слоя Es на умеренных широтах // Геомагнетизм и аэрономия.
1981. Т.21. №4. С.630-635.
5. Горбунова Т.А., Швед Г.М. Анализ полупрозрачности слоя Es
как индикатора турбулентности при динамически однородных условиях
// Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т.24. № 1. С.30-34.
6. Lysenko I.A., Portnyagin YuJ., Fakhrutdinova A.N., lsh-
muratov R.A. et al. Wind regime at 80-110 km at midlatitudes of
the northern hemisphere // J. Atmos. and Terr. Phys. 1994. V.56.
№1. P.31-42.

7. Портнягин Ю.И. Крупномасштабные неоднородности в поле
ветра на высотах 80-100 км // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и
океана. 1981. Т.П. № 3. С.236-242.
8. Фахрутдинова А.Н., Ишмуратов Р.А. Сезонные вариации
вклада мод в полусуточные приливные движения нижней термосферы
средних широт // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т.31. №5. С.904-910.
9. Whitehead J.D. Resent work on mid-latitude and equatorial
sporadic E // J. Atmos. and Terr. Phys. 1989. V.51. №5. P.401-424.
10. Whitehead J.D. The formation of sporadic-^ layer in
temperate zones // J. Atmos. and Terr. Phys. 1961. V.20. P.49-58.
11. Минуллин Р.Г., Шерстюков O.H., Сапаев А.Л. и др. Цифровой
ионосферный комплекс "Циклон-9". Казанский ун-т. Казань, 1994.
Рус. - Дел. в ВИНИТИ от 17.06.94, № 1518-В94.
12. Chimonas G., Axford W.I. Vertical movement of temperate-
zone sporadic E layers //J. Geophys. Res. 1968. V.73. №1. P.111-
117.
13. Портнягин Ю.И., Шпренгер К. (ред.) Измерение ветра на
высотах 90-100 км наземными методами. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
344 с.
14. Чепмен С, Линдзен Р. Атмосферные приливы. М.: Мир, 1972.
296 с.
15. Хайнс К.О. Атмосферные гравитационные волны // Термосфер-
ная циркуляция. М.: Мир, 1975. С. 85-99.
16. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян
Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Л.: Гидрометеоиздат,
1987. 272 с.
17. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И. Высоты слоя Es //
Ионосферные исследования. 1989. №46. С.101-107.
18. Мальцева О.А., Чернышева СП., Шефтель В.М. Сопоставление
истинных и действующих высот спорадического слоя Es / /
Геомагнетизм и аэрономия. 1973. Т.13. №2. С.361-363.
19. Кореньков Ю.Н., Демшюв М.Г. Перераспределение
электронной концентрации в области Е среднеширотной ионосферы под
действием стационарной однородной ветровой системы // Геомагнетизм и
аэрономия. 1980. Т.20. №3. С.430-433.
20. Robinson B.J. On some disturbances in the i?-region // J.
Atmos. and Terr. Phys. 1960. V.19. P.160-171.
21. Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю., Макаров Н.А. и dp. Влияние
динамики нижней термосферы на появление спорадического слоя Е / /
Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35. №2. С.123-129.

Л.П.Корсунова, Т.А.Горбунова
МОДОВАЯ СТРУКТУРА ПРИЛИВА НА СРЕДНИХ
ШИРОТАХ ПО Л'Яз-ДАННЫМ
В работе [1] было показано, что скорость изменения высоты
спорадического слоя вблизи времени максимума прилива близка к
вертикальной фазовой скорости доминирующей моды приливных
колебаний. Используя 15-минутные измерения h'Es на Ашхабадской
ионосферной станции, в [2] получили, что изменения высот
спорадического слоя, в основном, обусловлены мигрирующими модами солнечного
термического полусуточного прилива. Поскольку наблюдения h'Es с
хорошим временным разрешением являются эффективным средством для
исследования влияния атмосферных условий на структуру прилива,
представлялось целесообразным продолжить работы по изучению
преобладающих мод в различных широтных зонах.
h'ESt км
Рис. 1. Суточные изменения действующих высот Es по 15-минутным
измерениям за 13.7.68 г. на станциях: а - Москва, б - Ашхабад

Для интервалов времени наблюдений, удаленных от периодов
весенней и осенней перестроек страто-мезосферы: 1.06.68—31.07.68
г. и 1.11.68—31.12.68 г., с ионограмм вертикального зондирования
на ст. Москва (~56 N) и Ашхабад (~38°N) снимались значения высот
Es через каждые 15 минут, которые затем использовались для
вычисления скорости приливных "спусков" Es на тех участках
h'(t)-кривых, где действующие высоты являлись невозрастающей функцией
времени или имели слабые локальные максимумы (рис. 1). Анализ
спусков Es по скоростям уменьшения действующих высот со временем
производился отдельно для лета и зимы. Сопоставление полученных
скоростей с теоретическими фазовыми скоростями приливных мод [3]
делалось с учетом пределов изменения экспериментальных значений,
указанных в таблице.
Таблица
Идентификация приливных мод по фазовым скоростям
и частота их появления п,/п на различных широтах
Мода
прилива
Хр х103, м
W)>m/c
Vcca)»M/c
п,/п,%
Лето, 56°N
38°N
и, /и, %
Зима, 56°N
38°N
(2,2)
150
3,5
4,0-2,2
27,2
16,4
25,7
16,1
(2,3)
85
2,0
2,2-1,7
8,5
8,6
6,7
7,5
(2,4)
50
1,2
1,7-1,1
19,4
25,0
10,5
22,6
(2,5)
40
0,9
1,1-0.9
12,4
13,8
4,8
7,5
(2,6)-(2,7)
35-30
0,8-0,7
0,9-0,6
8,5
12,1
8,5
9,6
(1,1)
25
0,3
0,6-0,3
6,2
5,2
3,8
3,2
Так как точность определения h'Es не превышает 5 км,
невозможно на практике разрешить моды высших порядков (2,6) и (2,7),
поэтому они объединены в одну группу. Всего отобрано для анализа
примерно по 100 спусков h'Es для каждого сезона, причем, на <р*
=*56eN их общее количество всегда больше, чем p«38°N.
Распределение скоростей в спусках сосредоточено в двух интервалах:
медленные спуски со скоростью vb<4 м/с и быстрые - с г>в>5 м/с.
Медленные спуски сопоставимы с классическими модами солнечного

термического прилива, природа быстрых спусков h'Es не ясна.
Частота появления различных мод (п./п%) на рассмотренных широтах
для зимних и летних месяцев приведена в таблице.
Интересно отметить, что суммарный процент появления
приливных и быстрых спусков h'Es практически одинаков на обеих станциях
для данного сезона года, хотя их общее количество возрастает с
увеличением широты. Из таблицы следует, что на <p°*56°N
преобладает мода (2.2), а на p«38eN мода (2,4) полусуточного
термического прилива. Такая ситуация характерна как для лета, так и
для зимы в период высокой солнечной активности. Различные
приливные моды появляются зимой меньше, чем летом, как в Москве, так и
в Ашхабаде. Моды суточного прилива выделить трудно из-за малого
высотного разрешения ионосферной станции; возможно, с этим
связано их малое число наблюдений по сравнению с полусуточными модами
в области 38-56°N.
Что касается быстрых спусков h'Es с v >5 м/с, то они
составляют ~20 % от общего количества спусков летом и увеличиваются до
~40 % зимой. Чаще всего они появляются в утренние и вечерние часы
летом и в полуденные часы - зимой, причем время их максимальной
частоты появления отличается на ±2-3 часа от времени восхода и
захода Солнца на высоте 100 км. Анализ одновременных /i't-кривых
на fs38°N и y>»56°N показал, что быстрые спуски h'Es
наблюдаются в одни и те же дни на двух станциях, но с некоторым сдвигом
по времени. Зимой подобные спуски раньше отмечаются в Москве, а
через 1-2 часа - в Ашхабаде, летом такой четкой закономерности
нет. Геомагнитная активность практически не влияет на частоту
появления быстрых спусков, хотя летом при К >3 их количество
уменьшается (~ на 8 %). Распределение их в зависимости от степени
возмущенности магнитного поля Земли такое же, как для приливных
спусков h'Es.
Сравним полученные нами результаты с другими
экспериментальными данными и выводами теории приливов. В расчетах Линдзена [4]
для мигрирующих солнечных приливных мод с учетом реального
распределения температуры и среднего ветра в условиях солнцестояния
показано, что в средних широтах на 100-120 км должна преобладать
мода (2,4) полусуточного прилива, возбуждаемая ниже термосферы.
Выше 120 км эта мода быстро затухает и начинает преобладать мода
(2,2). Возбуждение мод (2,3); (2,5) и более высоких порядков
зависит от изменчивости средних ветров ниже 100 км.
Данные измерений ветра в нижней термосфере методом
некогерентного рассеяния [5] на ст. Милстон Хилл (~ 43°N) и Сен-Сантен
(~ 44°N) свидетельствуют о том, что летом ниже 120 км действи-

тельно преобладает мода (2,4) с небольшим вкладом моды (2,3) в
зональной компоненте. Выше 120 км превалирует мода (2,2) в полном
соответствии с теорией. Зимой выделение мод затруднено из-за
резких изменений ветра с высотой, но в Милстон Хилл для зональной
компоненты характерно присутствие моды (2,4) ниже 115 км. В [6]
по суточному ходу высоты появления ^-спорадического на ряде
ионосферных станций, расположенных на широтах от 18°N до 46°N,
выделены основные моды полусуточных колебаний для разных сезонов.
Оказалось, что в условиях солнцестояния на ст. Форт Бельвиор
(~ 39°Ю преобладают моды (2,3) и (2,4), на ст. Оттава (~ 46°Ю -
моды (2,2) и (2,4). Эти экспериментальные результаты, полученные
независимыми методами, хорошо согласуются между собой и с нашими
данными о модовой структуре прилива.
Как следует из табл., 20-30% спусков h'Es имеют нисходящие
скорости, превышающие 5 м/с, не сопоставимые ни с одной из
классических приливных мод. В [2] предполагается нх возмущение в
реальных условиях вертикального распространения прилива. Однако,
так называемый "последовательный Es", появляющийся на ионограммах
на А~160 км и опускающийся до 100 км за <>1 ч (в нашей
интерпретации быстрые спуски h'Es) чаще всего связывают с перемещающимися
горизонтально волновыми возмущениями (ПВВ), имеющими наклон
фронта к направлению перемещения [7]. Перемещение неоднородности с
наклонным фронтом приводит к кажущемуся вертикальному перемещению
слоя, зависящему от угла наклона и скорости ПВВ v -5-15 м/с [8,
9], что хорошо согласуется с нашими результатами для быстрых
спусков h'Es на разных широтах. По всем наблюдениям установлена и
максимальная частота появления ПВВ в течение суток в зависимости
от сезона, также совпадающая с отмеченными выше закономерностями
появления быстрых спусков h'Es. Исследования крупномасштабных ПВВ
над американским, европейским и среднеазиатским регионами
показало их устойчивое движение на юго-восток в зимние месяцы [10, 11]
и рост частоты появления ПВВ с увеличением широты.
В качестве механизма, ответственного за появление ПВВ,
рассматривают внутренние гравитационные волны [7, 11]. Регулярность
их появления в определенные часы суток позволяла связать
возбуждение таких волн с прохождением терминатора [9, 12]. Теория,
развитая в [12], показывает, что на <p>45°N происходит генерация лишь
крупномасштабных колебаний с Дг> 1000 км и т>10 мин, что на первый
взгляд подтверждается приведенными выше результатами
экспериментальных исследований в Е области. Однако, по данным [12] максимум
возмущений должен наблюдаться в равноденствие и на экваторе, а в
эксперименте отмечается увеличение ПВВ зимой и с ростом широты.

Направление перемещения также не соответствует теоретически
ожидаемому. Наконец, значительный сдвиг по времени максимума ПВВ и
терминатора также не находит пока теоретического объяснения. Все
это заставляет искать альтернативные источники, действующие в
атмосфере.
В [8] получена высокая степень корреляции кривых суточного
хода ПВВ в ^-области и скорости ветра и высказано предположение,
что система нейтральных ветров создает условия для возникновения
ПВВ. Проведенный нами анализ показал, что наибольшее количество
быстрых спусков h'Es наблюдается вблизи времени максимума
полусуточного прилива на каждой станции для обоих сезонов. Поэтому
естественно предположить, что именно прилив контролирует появление
таких спусков, отождествляемых с ПВВ. На возможность генерации
волн нестабильностью атмосферных приливов указывали еще Хайнс
[13] и Роупер [14], анализируя данные радиолокационных измерений
ветра. В [15] на основе исследований суточных вариаций
интенсивности нерегулярных движений и высотных профилей амплитуд и фаз
приливных компонент ветра в метеорной зоне получено, что моменты
наименьшей устойчивости прилива совпадают с моментами реализации
минимальных значений числа Ричардсона и усиления волновой
активности. По измерениям MST-радаром в Покер-Флэт (65°N) также
получено, что минимум чисел Ричардсона в приливах совпадает с
максимумом интенсивности нерегулярных движений на Л=80-110 км [16].
Определенные нами кажущиеся скорости быстрых спусков h'Es
составляют 5-15 м/с, что соответствует вертикальным фазовым скоростям
гравитационных волн [17], а нисходящий элемент движения может
свидетельствовать о распространении энергии волн вверх. И хотя
сам факт генерации волновых возмущений нестабильностью приливов
на высотах нижней термосферы, по-видимому, не вызывает сомнений,
необходимы еще и теоретические расчеты, объясняющие всю
совокупность наблюдательских данных о быстрых спусках h'Es.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. В области широт 30-45°N на Л=100-120 км преобладает мода
(2,4) солнечного термического прилива, как и предсказано
современной теорией [4]; на ^»>45°N увеличивается вклад моды (2,2), а
на <р * 56 °N она становится преобладающей.
2. Нет существенных изменений модового состава прилива с
сезоном в условиях высокой солнечной активности.
3. Быстрые спуски h'Es, характеризующиеся вертикальными
кажущимися скоростями 5-15 м/с, свидетельствуют о прохождении
внутренних гравитационных волн, возбуждаемых, по-видимому,
нестабильностью атмосферных приливов.

Abstract
Rates of variations in the E active heights with a halfday
period compared with phase velocities of solar tidal modes are
determined from 15-minute measurements of hE during a day. The
analysis is carried out for the conditions of the solstice on the
basis of the sporadic layer studies in Ashkhabad and Moscow in
1968. It is shown that at p=38°N the mode (2,4) is dominant and
at p=56*N - the mode (2,62) of thermal tide without significant
seasonal variations in modal composition. Seeming vertical
velocities Vb>5m/s are not corroborated with classic modes and
conditioned by the transit of inner gravitation waves. Possible
mechanisms of such wave excitation are discussed.
Список литературы
1. Фомичев В.И., Швед Г.М. О высоте и вероятности
образования слоя Es на умеренных широтах // Геомагнетизм и аэрономия.
1981. Т. 21. №4. С. 630-635.
2. Горбунова Т.А., Швед Г.М. Анализ полупрозрачности слоя Es
как индикатора турбулентности при динамически однородных условиях
// Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24. №1. С. 30-34.
3. Чепмен С, Линдзен Р. Атмосферные приливы. М.: Мир, 1972.
295 с.
4. Hong S., Lindzen R.S. Solar semidiurnal tide in the ther-
mosphere // J. Atmos. Sci. 1976. Vol.33. №1. P. 135-153.
5. Wand R.H. Seasonal variations of lower thermospheric
winds from the Millstone Hill incoherent scatter // J. Geophys.
Res. 1983. Vol.A887. №11. P. 9227-9241.
6. MacDougall J.W. Seasonal variation of semidiurnal winds
in the dynamo region // Plan. Space. Sci. 1978. Vol.26. №8.
P. 705-714.
7. Чавдаров С.С., Часовитин Ю.К., Чернышева СП., Шефтель
В.М. Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. М.: Наука,
1975. 119 с.
8. Васильев К.Н. Перемещающиеся возмущенности (расслоения) в
.Е-области ионосферы // Геомагнетизм и аэроном. 1981. Т. 21. №5.
С. 936-939.
9. Чернышева СП., Шефтель В.М., Щаренская Э.Г. Волновые
возмущения электронной концентрации в ионосфере вблизи утреннего
терминатора // Геомагнетизм и аэроном. 1985. Т.25. № 1.
С.143-146.

10. Киквилашвили Г.Б., Мосашвили Н.В., Шарадзе З.С.
Перемещающиеся ионосферные возмущения в £-области ионосферы средних
широт // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. №1. С. 136-138.
11. Tedd B.L., Morgan M.G. TID observations at spaced
geographic locations //J. Geophys. Res. 1985. Vol.A90. №12. P.12307-
12317.
12. Сомсиков В.М. Солнечный терминатор и динамика атмосферы.
Алма-Ата: Наука, 1983. 192 с.
13. Hines CO. Internal atmospheric gravity waves at
ionospheric heights // Canad. J. Phys. 1960. Vol.38. №11. P.1441-1481.
14. Roper R.G., Edwards H.D. Theoretical and experimental
investigations of upper atmosphere dynamics. Atlanta. 1980. 86 p.
15. Гаврилов Н.М., Кальченко Б.В., Кащеев Б.Л., Швед Г.М.
Обнаружение связи с фазой прилива // Изв. АН СССР. Физика
атмосферы и океана. 1981. Т. 17. №7. С. 680-689.
16. Balsley B.B., Ecklund W.L., Fritts D.C. VHF echoes from
the highiatitude mesosphere and lower thermosphere; observations
and interpretations // J. Atmos. Sci. 1983. Vol.40. №10. P.2451-
2466.
17. Wand R.H. Seasonal variations of lower thermospheric
winds from the Millstone Hill incoherent scatter radar // J.
Geophys. Res. 1983. Vol. A88. №11. P. 9227-9241.
• ;r-
■...'•■.*;"Ji.V-W;-.!:;JU:V>'f*:-:« ■■^■.ЪЫЫ*г*&\У,>».\-.\Х„ ■ : . :'• ■. с.,...

Р.Г.Минуллин, В.И.Назаренко
СЛОЙ Es И МЕТЕОРЫ
Вопрос о воздействии на слой Es такого постоянного явления в
атмосфере Земли как метеоры до сих пор остается открытым, хотя им
занимались многие исследователи [1-12].
Критерии распознавания неоднородностей, обусловленных
метеорами и слоем Es, описываются в работе [13], выполненной на основе
экспериментальных исследований на 8 радиотрассах средних широт в
диапазоне 15-44 МГц.
Отражения от спорадических и потоковых метеорных следов
появляются примерно в той же области высот, что и отражения от слоя
Es, как видно из рис. 1, где приведены распределения высот
отражений: а) от метеоров [14] для 5000 случаев, б) - от слоя Es по
ракетным данным [15-17] для 175 случаев.
N
600
400
200
-
■1
лп
1
•
L
\
80
100
но 1Ао
Р
30
20
f0
0
б
Л
Ln
80 100 120
140
h,KM
Рис. 1. Распределения высот отражений:
а) от метеоров, б) от слоя Es
Если наблюдения проводятся в северном полушарии, то в общих
чертах совпадают вариации в течение года численности (или
коэффициента заполнения) метеоров [18, 19] и вероятности появления слоя
Es как при вертикальном, так и наклонном зондировании [13, 20,
21]. Как для метеоров, так и для Es наблюдаются максимумы летом,

минимумы - зимой, осенью значения больше, чем весной. Это
отмечалось также в работах [1-7, 10, 11]. Но в деталях есть различия:
максимум появления Es наблюдается в июне, а максимум метеорной
активности - в июле или даже в августе [18,19]; в мае вероятность
появления слоя Es возрастает в 5-6 раз по отношению к апрелю [13],
метеорная активность повышается за это же время только в 2 раза,
т.е. обнаруживается опережение роста вероятности появления слоя
Es по отношению к росту метеорной активности. Если метеоры влияют
на слой Es, обусловливая его появление, то в данном случае
следствие как бы опережает причину.
Еще большее сомнение о явной связи параметров слоя Es с
метеорной активностью возникает при сравнении данных южного
полушария. Повышенная метеорная активность в южном полушарии
наблюдается в июле - августе, а вероятность появления слоя Es в это
время (зима) минимальна, т.е. эти два процесса находятся в противо-
фазе, как было убедительно показано в [1].
Некоторые авторы [3, 4] связывают суточные вариации
метеорной активности и активности слоя Es, но и здесь максимумы и
минимумы не совпадают во времени: для метеоров около 6 ч наблюдается
максимум и около 18 ч - минимум; для слоя Es максимумы
проявляются около 12 ч и 18 ч, минимумы - около 4 ч и 14 ч.
Таким образом, на основании данного сопоставления можно
сделать вывод, что прямая непосредственная связь между активностью
фона спорадических метеоров и вероятностью появления слоя Es при
вертикальном и наклонном зондировании не обнаруживается.
Кроме спорадических метеоров в атмосфере Земли проявляются
потоки метеоров и наиболее активно в июле-августе [18]. Нами
была исследована связь между появлением метеорных потоков и слоя Es
на трассах наклонного зондирования.
Сначала для анализа были выбраны потоки Квадрантиды (1-4
января) и Геминиды (7-15 декабря). Во-первых, это мощные потоки, и
привнос метеорного вещества в атмосферу Земли достаточно велик.
Во-вторых, появление слоя Es в декабре и январе по другим
причинам - явление довольно редкое.
На рис. 2а приведены суммарно-усредненные результаты
наблюдений во время прохождения потока Квадрантиды численности N
(пунктирная кривая) метеорных отражений на трассах: Сидар-Рапидс-
Оттава длиной 1350 км на частоте 49,8 МГц в 1953 г. [22], Грин-
вуд—Оттава длиной 860 км на частоте 49,9 МГц в 1956 г. [23], а
также коэффициента заполнения i? (непрерывная кривая) на
радиолиниях: Одесса—Казань длиной 1620 км на частоте 42 МГц в 1960 г.,
Москва—Казань длиной 660 км на частоте 40 МГц в 1962 г, и в 1963
г., София—Прага длиной 1100 км на частоте 40 МГц в 1965 г. [24].

При наклонном зондировании благодаря условиям ракурсности
(принципу зеркальности) отражения от метеорных следов в большом
количестве наблюдаются в течение нескольких часов до и после
кульминации радианта метеорного потока. Во время кульминации углы
падения метеорных частиц около центра трассы наиболее крутые и
условия отражения радиоволн на трассе наихудшие, поэтому в момент
кульминации N и г\ резко уменьшаются, иногда вплоть до нуля. Но во
время кульминации метеорного потока создаются наилучшие условия
для появления слоя Es (образование металлических ионов) в области
над центром трассы. И отражения от слоя Es в это время должны
легко выделяться на фоне пониженной численности отражений от
метеоров.
ч»
60-
4-0-
20-
2-1
^\^js4g*Z2?
3-1
Л А;
\ -1 1 i
И
1
г
\
L
Wa_^
1ч -т
Рис. 2. Суммарно-усредненные результаты наблюдений N и г\
во время прохождения потоков а) Квадрантиды, б) Геминиды

На рис. 2а моменты кульминации потока Квадрантиды (8 ч 35
мин., местное время) отмечены стрелками. На всех графиках видно
нарастание метеорной активности до момента кульминации,
наименьшее значение во время кульминации и затем резкое увеличение после
прохождения кульминации. 3 января эта картина повторяется на всех
трассах независимо от ее длины, от рабочей частоты, от времени и
места наблюдения. Появление слоя Es во время кульминации
метеорного потока ни 3-го, ни 4-го января ни на одной трассе не
обнаруживается.
На рис. 26 показано действие потока Геминиды: вариации N
(пунктирная кривая) получены на радиолинии Сидар Рапиде—Оттава в
1953 г. [22], и суммарно-усредненные вариации г) (непрерывная
кривая) получены на радиолиниях Одесса—Казань, София—Прага в 1964
г. [24]. Здесь также наблюдаются четкие минимумы N и rj для
метеорных отражений в момент кульминации радианта(9 ч 05 мин.), но
слой Es не обнаруживается ни в один из дней наибольшей активности
потока (12-14 декабря).
Были проанализированы результаты летних наблюдений на
метеорных трассах. На рис. 3 представлены изменения коэффициента
заполнения в течение суток для 18 дней наблюдений на радиолинии Со-
фия^Прага на частоте 40 МГц в июле 1965 г. В это время
действовали потоки Ариетиды (29 мая-19 июня) и £-Персеиды (1-17 июля),
соответственно с максимальной активностью 7 и 9 июля. Кульминация
для потока Ариетиды приходится на 10 ч 00 мин., для потока Персе-
иды на 11 ч 00 мин.
Начиная с 1 июля видны обычные повышенные значения г\ до
(утром) и после (в полдень) кульминации радиантов и минимальные
значения - во время кульминации (10-11 часов). Хотя на суточных
графиках 5, 6, 7, 9, 10, 13, 14 июля видны увеличения ц за счет
возникновения слоев .Es, но эти появления хаотичны по времени суток,
и поэтому вряд ли вызваны воздействием потоков. Слой Es
отсутствует 8, 11 и 12 июля, когда активность потоков достаточно
велика, но зато слой .Es появляется 13 и 14 июля на спаде активности
потоков. 15, 16 и 18 июля слой Es не обнаруживается и наблюдаются
небольшие естественные увеличения rj за счет отражений от
метеорных потоков утром и в полдень, т.е. до и после кульминации
потоков, как это наблюдалось на рис. 2.
Измерения на перечисленных выше трассах выполнялись на
частотах метрового диапазона (40-50 МГц). Если бы слой Es на этих
трассах возникал под действием метеорных следов, то он мог бы
быть зарегистрирован только в том случае, если его предельные
частоты foEs превышали 10 МГц [25].

11. Ш
ПЖ^Л± «°
Ц- 8 а12 15 20 2f
14, Ш
4*
LT,4
4 8 |И2 16 20 24
LT,4
Рис. 3. Суточный ход коэффициента заполнения на радиолинии
София-Прага на частоте 40 МГц

Но может быть слой Es под действием метеорных потоков все же
появляется, но с меньшими значениями foEsl Были проанализированы
данные ионосферных станций вертикального зондирования в Москве,
Горьком, Свердловске, Алма-Ате, Ашхабаде за январь и декабрь 1958
и 1963 годов (годы максимума и минимума солнечной активности).
Однако систематического увеличения вероятности появления слоя Es
во время и после действия метеорных потоков Квадрантиды и Гемини-
ды не было обнаружено. Анализ данных ст. Москва и Горький за 12
месяцев 1958 г. так же не дал возможности связать появление слоя
Es с воздействием метеорных потоков в течение года.
Следовательно, можно утверждать, что явная и прямая связь
между вариациями численности спорадических метеоров и
вероятностью появления слоя Es на трассах наклонного зондирования
экспериментально не выявлена. Если даже эта связь имеет место, то она
существует, видимо, в сложном, неявном и опосредованном виде.
Такой же вывод по отношению к данным вертикального зондирования
слоя Es был сделан в {б, 7]. Потому при разработке эмпирической
модели слоя Es фактор - влияние метеоров, как параметр модели
можно не рассматривать.
Abstract
A relation between Es layer under vertical and
oblique-incidence soundings, and a number of meteor reflections is
determined. It is inferred a probability of the Es layer appearence
under oblique and vertical-includence soundings. A factor of
filling of radioways in the wave meter range for the period of Quad-
rantide and Geminide fluxes is analysed. The best conditions for
appearence of the Es layer are created at the time of flux
culmination though the Es layer is not experimentally revealed at
that time. A systematic increase in the probability of the Es
layers appearence under vertical sounding during and after
activity of meteor fluxes is not always observed as well.
Список литературы
1. Triskova L,- On the seasonal variation in the temperate Es
occurrence // J. Atmosph. and Terrestr. Physics. 1974. Vol. 36.
P. 861-869.
2. Рубцов Л.Н. Некоторые вопросы метеорной ионизации
атмосферы. Диссертация к.ф.-м.н. Душанбе, 1965.
3. Доний В.Н. Роль метеоров в формировании Es / /
Геомагнетизм и аэрономия. 1971. Т. 11.№6. С. 1089-1090.

4. Латипов Д. О связи спорадического слоя Е с годовой
вариацией численности метеоров // Доклады АН Таджик. ССР. 1973. Т.16.
№7. С. 16-18.
5. Латипов Д. К вопросу связи Es-слоя с метеорными потоками
Персеид // Доклады АН Таджик.ССР. 1974. Т. 17. №5. С. 17-20.
6. Овезгельдыев О., Корсунова Л.П. Роль метеоров в
ионосферных процессах, часть I // Известия АН Туркм. ССР. Сер. ФТХ и
ГН. 1974. №5. С. 37-41.
7. Овезгельдыев О., Корсунова Л.П. Роль метеоров в
ионосферных процессах, часть II // Известия АН Туркм. ССР. Сер. ФТХ и ГН.
1974. №6. С. 37-42.
8. Лебединец В.Н., Шушкова В.Б. Метеорная ионизация //
Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14. №2. С. 271-276.
9. Шушкова В.Б. О возможных формах слоев Es метеорного
происхождения // Тр. Инст. экспер. метеорол. М.: Метеоиздат, 1976.
Вып. 5 (62). С. 121-126.
10. Ellyett CD., Goldsbrough P.F. Relationship of meteors to
sporadic E. 1. A Sorting of facts // J. Geophys. Res. 1976. Vol.
81. №34. P. 6131-6134.
11. Goldsbrough P.F.,Ellyett CD. Relationship of meteors to
sporadic E. 2. Statistical evidence for class 1 Ещ // J. Geophys.
Res. 1976. Vol.81. №34. P. 6135-6140.
12. Овезгельдыев О. Структура и механизм образования
спорадического слоя Е в средних широтах: Диссертация д. ф.-м. н. Иркутск,
1970. 295 с.
13. Минуллин Р.Г. Распознавание неоднородностей,
обусловленных метеорами и слоем Es // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26.
№5. С. 718-722.
14. Weiss A.A. The temporal variation of the heights of
reflection points of meteor trails // Austral. Phys. 1959. Vol. 12.
№2. P. 116-126.
15. Иванов-Холодный Г.С., Лазарев В.И. Об одном из возможных
механизмов образования узких спорадических слоев ионосферы //
Геомагнетизм и аэрономия 1966. Т.26. С. 397-400.
16. Корсунова Л.П., Бывалъцева Г.Ф. Результаты анализа
ракетных исследований ^-спорадического на средних широтах //
Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука,
1973. Вып. 27. С. 88-99.
17. Казачевская Т.В., Иванов-Холодный Г.С. Ракетные данные о
поведении электронной концентрации в ионосфере на высотах 100-300
км // Геомагнетизм и аэрономия. 1965. Т. 5. №6. С. 1009-1024.
18. Метеорная радиосвязь на ультракоротких волнах / Под ред.
А.Н.Казанцева М.: Ин. лит., 1961. 286 с.

19. Минуллин Р.Г., Белысович О.И. Численность отражений на
частоте 40 МГц на метеорных трассах Москва—Казань и Одесса—
Казань // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан,
ун-т, 1973. №9. С. 70-85.
20. Минуллин Р.Г. Вероятность появления слоя Es при наклонном
зондировании // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26. №4. С.541-
546.
21. Минуллин Р.Г. Вероятностная модель среднеширотного слоя
Es // Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1987. №20. С. 87-120.
22. Форсит П.А., Хайнес К.О., Воган Е.Л. Суточные изменения
числа ливневых метеоров, обнаруживаемых при рассеянии радиоволн
вперед // Метеорная радиосвязь на ультракоротких волнах. М.: Изд.
ин. лит., 1962. С. 48-54.
23. Хайнес К.О., Воган Е.Л. Изменения интенсивности
метеорного ливня Квадрантид 1956 г. // Метеорная радиосвязь на
ультракоротких волнах. М.: Изд. ин.лит., 1967. С. 65-74.
24. Triskova L. Meteor forward scatter statistics // Geofysi-
calni sbornik XVIII. 1970. №342. P. 485-523.
25. Керблай Т.С. Инструкция по расчету частот коротковолновой
радиосвязи, отражающихся от слоя Es. M.: Наука, 1964. 69 с.
*■■■■<' : Ь.::- 'i ■ '•• •. J> ■: Ч.( Л'.
'.'-1-н<. .. к .\\. ■•: ,-.■,,■
\ .' wr at! ■:M»in-j.; i ... ■}

Д.С.Ясницкий
ВЫСОТНО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНЫХ
ДВИЖЕНИЙ ВЕРХНЕЙ МЕЗОСФЕРЫ—НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ
ПО РАДИОМЕТЕОРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
Практическая необходимость глубокого понимания изменений
погоды и климата, экологии околоземного пространства, аэрономичес-
ких и физических процессов ионосферы привела к интенсивным
исследованиям средней атмосферы. Получили широкое развитие
радиофизические методы исследований, среди которых важное место занимает
радиометеорный метод, позволяющий исследовать динамику верхней
мезосферы-нижней термосферы иа высотах 80-110 км, которая влияет
на состояние ионосферного спорадического слоя Es.
Нижняя термосфера представляет собой область высот, где
становятся существенными волновые процессы, а также их диссипация.
Интенсивность волновых полей в широком интервале временных
масштабов, которые испытывают диссипацию в нижней термосфере,
является источником мезомасштабной турбулентности. Таким образом,
мезомасштабная турбулентность может служить индикатором
интенсивности волновых возмущений в нижней и средней атмосфере и их
распространения с учетом фильтрующих свойств зональной циркуляции
на высоты верхней мезосферы-нижней термосферы. Судя по
результатам исследований, проведенных в последнее десятилетие,
турбулентные движения играют важную роль при формировании и разрушении
неоднородной структуры ионосферы. Этот факт определяет
значительный интерес к закономерностям турбулентных движений на высотах
нижней ионосферы.
1. В данной работе приведены некоторые результаты
исследования структуры турбулентности в верхней мезосфере-нижней
термосфере, полученные по радиометеорным наблюдениям на радиополигоне
Казанского государственного университета. Основные технические
данные метеорного радара с высотомером: рабочая частота - 32 МГц,
длительность импульса - 100 мке, частота зондирования - 400 Гц,
импульсная мощность передающего устройства - 150 кВт,
чувствительность радиоприемных устройств при отношении сигнал/шум,
равном 2, составляет 0,7 мкВ, полоса пропускания 25 кГц. Разрешающая
способность фазового угломера по азимутальному и зенитному углам
- 20 угловых минут, наклонной дальности - 100 - 300 м, радиальной
скорости ветра - 3 м/с, высоте - ±1 км. Местоположение комплекса
- 56°N, 49°Е. Пространственные масштабы области осреднения в го-

ризонтальной плоскости при измерении скоростей ветра
радиометеорным методом при круговом обзоре метеорной зоны равны ~ 400x400
км.
В качестве интенсивности турбулентности рассматривается
полная кинетическая энергия турбулентных движений, отнесенная к
единице массы, [1]:
В= \/2{аг +о2 ),
где а , а - среднеквадратические значения зонального и
меридионального компонентов скорости ветра в горизонтальной плоскости
за интервал измерения в 1 час. Энергия вертикальных движений не
учитывается, поскольку вертикальные скорости значительно меньше
горизонтальных. Отметим также, что в качестве характеристики
интенсивности турбулентности необходимо учитывать флуктуационную
энергию зонального и меридионального ветра, вследствие
анизотропии турбулентности относительно среднего движения. Здесь и далее
понятие "турбулентность" имеет смысл мезомасштабной
турбулентности с пространственными и временными масштабами, равными
соответственно 400x400 км и 1 час.
2. Проведен анализ долгопериодных вариаций интенсивности
турбулентности с масштабами от 2 до 40 суток, характерными для
планетарных волн. В качестве исходных данных использовались ряды
среднесуточных значений турбулентности, рассчитанных по
полученным экспериментальным среднечасовым значениям. Расчет проводился
по временным рядам данных для десяти высотных уровней в области
высот 80-110 км, с шагом по высоте 3 км. Длительность
анализируемых временных рядов была выбрана следующим образом: зимний период
- ноябрь, декабрь, январь, февраль; весенний период - март,
апрель; летний период - май, июнь, июль, август; осенний период -
сентябрь, октябрь. Статистическая обеспеченность данных как по
времени, так и по высоте различна, что было обусловлено
спецификой и режимом радиометеорных наблюдений. Если пробел в данных был
не более 3 суток, недостающие значения восполнялись путем
линейной аппроксимации.
Исследование временных вариаций турбулентности проводилось
на основе спектрального анализа по методу Блэкмана-Тьюки [2].
Использовалось окно Тьюки, при этом точка отсечения
корреляционной функции (запаздывание) выбиралась из условия равенства числа
степеней свободы v=10.
При расчете автоспектров интенсивности турбулентности
использовались формулы:
для выборочной оценки автоковариационной функции -

cu(k) - l/j/j^-B^B^-B,), 0«*«L-1,
_ N
где Bx-\/N Y, Blt, N - длина временного ряда значений турбулентно-
сти, L - запаздывание ковариационной функции;
для сглаженной выборочной спектральной функции
Cu(t) = 2[си(0)+2 £ с <Jb)w(Jb)cQS<**f/F)l, 0«t<F,
где F - число отсчетов в спектре, w(k) - временное окно Тьюки,
w(k)=l/2(ltQ+cos(nk/D). Использовался также нормированный
автоспектр, рассчитываемый по формуле:
Д„(0 = Си(£)/си(0).
Число степеней свободы v=2,661N/L. Частота и период,
соответствующие t-му отсчету в спектре, равны: /=i/(2F) и T=2F/i; значение F
было выбрано равным 80, исходя из требования хорошей детализации^
спектров.
Были получены автоспектры турбулентности для зимы и весны
1986-1990 гг., лета и осени 1986-1988 гг.
Спектры демонстрируют изменчивость как по высоте, так и в
течение года. Однако получены и выраженные сезонные и высотные
закономерности.
В спектрах присутствуют максимумы во всем интервале
исследуемых периодов (2-40 суток). Обнаруженные периодичности можно
сгруппировать, в основном, около следующих значений: 20-40 суток,
10-20 суток, 3-10 суток, 2-3 суток.
Волны с периодами 10-20 суток обычно связывают с 16-ти
суточной планетарной волной, ранее обнаруженной в тропосфере и
стратосфере. Кроме того, с периодами 18-22 суток появляются в
верхней стратосфере очаги тепла и холода [3].
Периодичности 3-10 суток были обнаружены многими авторами
(см., например, [3], [4]) на высотах стратосферы и, по-видимому,
можно сказать, что они обусловлены распространяющимися снизу
планетарными волнами. Интенсивность этих периодичностей по нашим
расчетам меньше, чем у 10-30 суточных и 2-х суточных колебаний.
Часто в спектрах интенсивности встречаются ВВ с периодами
около 2 суток. Их интенсивность примерно такая же, как у ВВ с
периодами 10-30 суток. Впервые периодичность 2 суток была выделена
в вариациях преобладающего ветра радиометеорным методом в
приэкваториальных широтах [5]. Позднее во многих работах было
показано, что скорость ветра на высотах метеорной зоны испытывает
колебания с периодами около 2-х суток в течение всего года. Вопрос
о физической природе 2-х суточных колебаний, наблюдаемых в нижней

термосфере, в настоящее время до конца не решек. Иногда их
связывают с подобными вариациями поля приземного давления в районе
измерения ветров, они обнаружены также и в верхней стратосфере
[6]. Большинство исследователей считают, что наблюдаемые в
метеорной зоне квазидвухсуточные колебания параметров ветра имеют
глобальный характер н обусловлены зонально распространяющимися
волнами Россби - моды (3,3). Эта мода является первой
антисимметричной модой планетарных волн с зональным волновым числом т=3 и
проявляется в стратомезосфере с периодом 2,0-2,4 сут. Некоторые
авторы интерпретируют квазидвухсуточные колебания как проявление
связи динамики верхней атмосферы с солнечной активностью,
усматривая корреляцию между периодами колебаний и изменениями
амплитуды двухсуточной волны в течение года, с одной стороны, н
параметрами солнечного ветра, с другой [7J. Отметим, что по нашим
исследованиям не обнаружено значимой корреляции временных
вариаций турбулентности и солнечных параметров (числа Вольфа и
солнечное излучение на частоте 2950 МГц) в этой области спектра.
Анализируя сезонные закономерности в спектрах отметим, что
интенсивность волновых возмущений в зимний период, наиболее
благоприятный для просачивания планетарных волн снизу, в 5-10 раз
больше, чем в летний. Вместе с тем, весь спектр колебаний,
характерный для зимнего периода, наблюдается и летом. Интенсивность ВВ
зимой, в основном, больше на высотах 98-110 км, летом же заметна
обратная картина.
В качестве иллюстрации рассмотрим поведение спектров для
зимы и лета 1987 г.
На рис. 1 а, б приведены автоспектры и на рис. 2 а, б -
нормированные автоспектры. Первые позволяют охарактеризовать
изменение интенсивности спектров с высотой и во времени, вторые -
наиболее полно и детально структуру выделенных в спектре периодич-
ностей для каждого отдельно взятого ряда значений интенсивности
турбулентности. Заметно, что зимой интенсивность спектров в
среднем примерно в 5 раз больше, чем летом, кроме того, проявляется
контраст между высотными интервалами 80-92 и 92-110 км: на
верхних высотах интенсивность спектров больше. Летом, напротив,
большей интенсивностью обладают ВВ на высоте 80-83 км. Величины
наиболее характерных периодичностей для всех сезонов 1987 года
приведены в таблице.
Несмотря на различную форму спектров на разных высотах,
заметны общие черты, повторяющиеся по высоте. Так, зимой почти на
всех высотах присутствуют ВВ с периодами 10-11 суток, летом же во
всей анализируемой области высот наблюдается смещение в сторону
увеличения величины периодов до 13-16 суток.

4/ 4
м/с сут
м /с4 cvt "
Т,сут
h, км
ПО
104
98
92
86
80
ПО
104
98
92
86
80
Т,сут
.4,„3,
Рис. 1. Графики спектральной плотности в [(м/с)'сут]
интенсивности мезомасштабной турбулентности на 10 высотных уровнях: а -
зима 1987 г., б - лето 1987. г. Масштаб спектров на рис. 1а в 10
раз меньше, чем на рис. 16

5
X
X
«J
Ю
О
О.
К
S
о.
о
X
о
X
h
о
с
3
X
с
X
X
а
ю
о
о.
S
S
о.
о
X
О
jQ
&
О
X
о
С
5
X
о
с
о
1
О
16 8,0 «f,0
а
2,0 Т, сут
h, км
ПО
104
98
92
86
80
ПО
104
98
92
86
80
2,0 Т, сут
Рис.2. Нормированные графики спектральной плотности интенсивности
мезомасштабной турбулентности: а - зима 1987 г.,б - лето 1987 г.
Нормировка проведена отдельно для каждого высотного интервала

На основе взаимного спектрального анализа временных рядов
интенсивности мезомасштабной турбулентности и таких параметров
солнечной активности, как числа Вольфа и излучение Солнца на
частоте 2950 МГц, по данным 1986-1990 гг. выявлены наиболее
выраженные во время максимума солнечной активности общие вариации с
периодами около 27 суток, близкими к периоду вращения Солнца
вокруг своей оси. Выделенные периодичности имеют значимую
когерентность. В период минимума солнечной активности эта
закономерность проявляется гораздо слабее [8].
Таблица
Периодичности (сут), присутствующие в спектрах интенсивности
мезомасштабной турбулентности на 10-и высотных интервалах
от 80 до 110 км для 4-х сезонов 1987 г.
ч
сез \
зима
весна
лето
осень
80-83
40
9
9
3
32
7
3-4
2
6
83-86
40
6-30
3
11
6
9
6
5
3
2
16
5
2
86-89
10
5
4
8-40
3
15
6
4
3
5
2
89-92
10
5
3
2
8-40
5
15
7
4
3
11
4
92-95
16
7
13
15
8
13
4
95-98
10
7
18
5
15
4
2
13
5
98-101
50-80
10
15
4
13
6
5
2-3
13
5
101-
104
40
И
6
3-4
2
12
5
3
15
8
5
3
6
104-
107
И
7
3-4
5
2
18
6
5
3
5-16
104-
107
13
3
2
9
4
3
10
6
2-3
16
Было проведено исследование взаимосвязи временных вариаций
турбулентности и амплитуд зонального и меридионального полусуточ-

ного прилива скоростей ветра. В результате было установлено
наличие синфазных вариаций с периодами около 15, 8, 5 суток со
значимой когерентностью.
Были обнаружены также полугодовые, годовые вариации
интенсивности мезомасштабной турбулентности. На рис. 3 приведены
высотные вариации амплитуд и фаз годовых и полугодовых изменений
мезомасштабной турбулентности по наблюдениям в период 1986-1988
годов. Интенсивность вариаций возрастает с высотой и на высотах
выше 100 км составляет 50% от среднегодовых значений в данной
области высот, свидетельствуя, таким образом, о заметных
различиях сезонных вариаций с изменением высоты. Поведение фазы годовых
вариаций аналогично подобным фазовым изменениям зонального
суточного прилива во всем интервале высот 80-110 км [1]. Время
максимума полугодовой гармоники с высотой меняется незначительно и
соответствует середине зимы и лета и близко к максимуму
полугодовых вариаций суточного и полусуточного прилива.
3. Наряду с непосредственным рассмотрением спектров на
различных высотных уровнях и их сравнения нами проведен взаимный
корреляционный и спектральный анализ рядов турбулентности на
десяти высотных уровнях, позволяющий оценить вертикальный масштаб
структуры турбулентности.
При этом применялись формулы для выборочной оценки взаимной
ковариационной функции
с (*) = 1/N У Ш -Д )(В , .-В ), 0«fc«L-l,
mn ' l? ml m nt+k n '
c^J-k) = l/NNl (B..-BJ(B-B), 0*k*L-l.
Индексы m, n равны 1 для высотного интервала 80-83 км, 2 - для
высотного интервала 83-86 км и т.д. ... и равны 10 для высотного
интервала 107-110 км. Сглаженная выборочная оценка квадрата
спектра когерентности:
C(i)=^i(i)/(C"(J)C~(i))=(i! JV+Ql „<*»/<C~~ (ОС~ (£)),
77171 77171 771711 7171 771П ^тП 771771 П 71
где А_ (t),L (i),Q (i) - соответственно взаимный (амплитудный)
77171 71171 77171 J
спектр, квадратурный и ко-спектр. Уровень значимости
когерентности находился в соответствии с работой [9] по формуле:
в = (lV/(v~1))'/2,
где р - уровень вероятности, соответственно при р=0,9 значение
/3=0,5. Коэффициент взаимной корреляции:

Ь,ии
«7
101
95
89
83
300 SOO Ц?)
a
зоо soo bUl)
Ь
h,KM
101
95
89
33
-I Г' | I
t 4 6 8 10 12 tot
Месяцы
2
2 4 6 8 10 12 to»
Мвсйцы
д
Рис. 3. Высотные вариации среднемноголетних значений
интенсивности мезомасштабной турбулентности (а), амплитуд и фаз годовых (б,
г) и полугодовых (в, д) вариаций
К = (ВJt)B(t)-BJt)B(t))/(c (0)с (0» =
тп m n m n mm nn
= с (0)/(с (0)с <0».
7П71 771771 7171
Уровень значимости коэффициента корреляции находился в
соответствии с методикой, приведенной в [10]: коэффициент корреляции
считается значимым, если выполняется условие: \К\ ^За(К), где
o(K)=(l-K )/VN. При заданном уровне вероятности р=0,99 уровень
значимости коэффициентов корреляции равняется 0,35 и 0,25
соответственно для временных рядов с N=60 и N=120. Значение N=60
соответствует длине рядов в 60 суток, сформированных для
весеннего и осеннего периодов; N=120 относится к длине рядов в 120
суток, сформированных для зимнего и летнего периодов.
Взаимные спектры и спектры когерентности временных вариаций
турбулентности демонстрируют стабильность спектров с высотой. По

поведению коэффициентов взаимной корреляции в зависимости от
смещения по высоте К (ДА) можно оценить вертикальные масштабы
изменчивости высотно - временной структуры турбулентности. На рис.
4 а, б для иллюстрации приведены графики #тп(ДЛ), рассчитанные
Рис. 4. Коэффициент взаимной корреляции значений интенсивности
мезомасштабной турбулентности К в зависимости от высоты
интервалов: 1 - 80-83 км, 2 - 95-98 км, 3 - 107-110 км; а - зима 1987 г.,
б - лето 1987 г.

для трех случаев, когда за исходный уровень брались интервалы
высот 80-83, 95-98, 107-110 км в зимний период 1986-1987 гг. и
летний период 1987 года.
При сравнении характера взаимосвязи турбулентности в
интервале высот 80-83 км с высотным интервалом 83-110 км
обнаруживается быстрое уменьшение коэффициента корреляции с увеличением ДЛ,
сильнее проявляющееся летом, что указывает на резкое отличие
структуры временных вариаций турбулентности в этом интервале от
вышележащей области высот. Подобное поведение, менее выраженное,
замечено и для интервала высот 107-110 км.
В области высот 86-107 км обнаружена значимая корреляция
временных вариаций интенсивности мезомасштабной турбулентности,
что можно трактовать как наличие на данных высотах вертикальной
структуры турбулентных движений, имеющей масштаб 18-21 км.
Для исследуемого высотного интервала 80-110 км выявлены
высотные вариации с вертикальным масштабом 6-9 км, имеющие
квазисинусоидальный характер и более выраженные зимой.
Установленная высотная структура межсуточных вариаций
интенсивности мезомасштабной турбулентности близка к высотной
структуре мод суточных и полусуточных приливов с вертикальными длинами
волн Л. « 28 км, X, , * 11 км, X, , * 7 км и А,, ~ 27 км. Этот
факт, а также установленные выше закономерности о синфазности
межсуточных внутригодовых вариаций интенсивности мезомасштабной
турбулентности и суточных и полусуточных приливов, позволяют
рассматривать приливные движения как один из энергетических
источников мезомасштабной турбулентности на высотах 80-110 км.
Заключение
1. Интенсивность мезомасштабной турбулентности на высотах
верхней мезосферы - нижней термосферы обнаруживает отчетливо
выраженные долгопериодные вариации с временными масштабами от 2 до
40 суток.
2. Обнаружены полугодовые вариации интенсивности
мезомасштабной турбулентности со временем максимума в зимний и летний
период, а также годовые вариации со временем максимума зимой.
Интенсивность турбулентности зимой значительно выше, чем летом.
3. Установлена вертикальная квазипериодическая структура
межсуточных вариаций интенсивности мезомасштабной турбулентности
в области высот 80-110 км с масштабом 6-9 км и более
крупномасштабная структура, обнаруживающая значимую корреляцию временных
вариаций в интервале высот 86-107 км.

Работа выполнена при содействии Международного Научного
Фонда Сороса (грант NNROO0).
Abstract
The paper presents the results of the mesoscale turbulence
height - temporal structure investigations in height interval 80-
110 km of the mid-latitude upper mesosphere—lower thermosphere,
received by radiometeor measuring in Kazan. The spectres of the
turbulence intensity temporal variations showed the presence of
the periodicities with the planetary waves time scales, more
expressed in a winter. There were revealed the annual and half-
annual variations, which intensity is comparable on the heights
100-110 km; on the heights 90-95 km the half-annual variations
are predominant. It was found the quasiperiodical height
structure of the turbulence with vertical scale 6-9 km and more large-
scale structure with the turbulence temporal variations
significant correlation in the height interval 86-101 km.
Список литературы
1. Фахрутдинова А.Н. Высотно-временная структура
нейтрального ветра нижней термосферы и эффекты его взаимодействия с
ионосферными явлениями // Автореф. дис. док. физ.-мат. наук. Казань:
КГУ, 1991. 33 с.
2. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его
приложения. М.: Наука, 1971. 310 с.
3. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Движение в ионосфере.
Новосибирск: Наука, 1979. 340 с.
4. Измерение ветра на высотах 90-100 км наземными методами.
/ Под ред. Ю.И.Портнягина, К.Шпренгера. Л: Гидрометеоиздат, 1980.
272 с.
5. Бабаджанов Б.П., Кащеев Б.Л., Нечитайленко В.А., Федын-
ский В.В. Радиометеорные исследования циркуляции верхней
атмосферы. Душанбе: Дониш, 1974. 170 с.
6. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян
Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Л.: Гидрометеоиздат,
1987. 272 с.
7. Кальченко Б.В., Кащеев Б.Л., Нечитайленко В.А. Влияние
солнечного ветра на дрейф метеорных следов // Известия АН СССР,
Серия: Физика атмосферы и океана. 1977. Т.234, №5. С.1035-1038.
8. Fahrutdinova A.N., Hutorova O.G., Yasnitsky D.S. Time
variations of turbulence and internal gravity waves intensity

during maximum of sun activity cycle // Proceeding of Eight
International Symposium on Solar Terrestrial Physics. Sendai, Japan.
June 5-10. 1994. P. 216.
9. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в
метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат! 1967. 240 с.
10. Большаков В.Д., Гайдаев П.А. Теория математической
обработки геодезических измерений. М.: Наука, 1977. 400 с.
f: ■-;;■
) ■ "
!
.Г„'»"
л.глм-:.
■.■,:■:..«■'
'!" ': ,'' < ; " 'i
; : . •• ■•'■l--\\ " ■ .'. '.:<■ ■
•'i! • "■:>:. •. ■' l.l.'i'" ." '* * i'"'V .. .*'.)"'
..""'■ V;-' ' • .' •>)~ 7 >< ■-. •.•":! ■ ■ -.i r?i'.%.\ ,
.': .'.■"■ . ~ »■"
:■:.. -,vv;■-'.!'i■>".: v '.:rc п-ж^ .■ ••■■v*.- v*< /■.;;;-: •-;■:
'.' ;..' '■ г.; '■■:. ~i.v ■■i-::'. г-; .,'.'•• ■•■.-« ■;.■*>;,.:..';i,-N'fV,0,i:^.
:fi,.,:>';.\:.iii-1 ■ ••.'..v'-i.' •. ч* A-i .-'Ni^h'■' .:' ",r^Tnij:-; *>■■ >.i

IV. ПЛАЗМЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ, ПОДОБНЫЕ СЛОЮ Es
В.А.Пермяков, Р.Г.Хузяшев
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ И АНАЛИТИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ ВОЛН
НА МЕТЕОРНОМ СЛЕДЕ
1. Среди сигналов, прошедших ионосферный радиоканал,
присутствуют отражения от метеорных следов. Чтобы определить механизм
распространения, необходимо знать характеристики волн, рассеянных
ионосферной и метеорными следами. В данной статье рассматриваются
некоторые особенности метеорных эхо-сигналов.
Экспериментальные исследования рассеяния радиоволн
метеорными следами с высокой электронной плотностью выявили ряд
закономерностей в поведении рассеянного поля, недостаточно объясненных
с физической точки зрения. К ним относятся явление повышенного
рассеяния Я-волн по сравнению с ^-волнами [1] и поведение фазы
рассеянных волн [2, 3]. Численные результаты [4] подтверждают
экспериментальные закономерности, но недостаточны, на наш взгляд,
для их физической трактовки.
В процессе диффузии радиус г метеорного следа с высокой
14
линейной электронной плотностью (а»10 эл/м) увеличивается от
малых до больших, по сравнению с длиной волны, размеров. Явление
повышенного рассеяния Я-волн наблюдается как при малых, так и
больших нормированных радиусах кг отрицательного ядра (е(кг )=0)
следа, где к - волновое число, е(х) - диэлектрическая
проницаемость. Если при 0 (кг <<1,£(Аг )>>1 амплитуда и фаза Е- и Я-волн
описываются соответственно приближениями Борна и квазистатики [5,
б], то при кг >>1 используемые обычно приближения геометрической
оптики [7] и металлизации [6] не объясняют поляризационных
различий рассеяния Е- и Я-волн. В [8] повышенное рассеяние Я-волн
объяснялось с позиций модифицированной геометрической оптики для
линейного закона изменения диэлектрической проницаемости
плазменного цилиндра, применимость которого к метеорному следу с
гауссовым законом не ясна.
В данной работе, наряду с прямым численным методом, для
анализа рассеяния волн от метеорного следа используются
квазистатический и квазиоптические методы геометрической оптики (ГО) и
интерференционного интеграла (МИИ) [9, 10], модифицированные
аналогично [8, 11] таким образом, чтобы они учитывали поляризационные
различия Е- и Я-волн.
2. Ограничимся рассмотрением нормального падения волн на
бесконечный радиально неоднородный плазменный цилиндр, являющийся

моделью сформировавшегося метеорного следа. Дифференциальный
поперечник рассеяния Е- и Я-волн на единицу длины следа определим
как
ч V = Пт2лт
\ 0 ) г-» м
|2\
(1)
где Е (Я ) - амплитуда рассеянного электрического (магнитного)
поля при единичной амплитуде поля падающей плоской волны.
I Е ] оо
= £(-*)"■
Я
г(1Ь
V п /
(2)
г<»/
Нк (кг) - функция Ганкеля первого рода, ^ - азимутальный угол.
, Ь
J (кг )U'(kr )-U (кг )J'(kr )
п g п g п g п а
Я(1)(*г )1/'(Аг )-tf (кг )Н{1)(кг )
(3)
Радиальная функция U (кг) удовлетворяет уравнениям:
для £"-волн
Е'
+ J_£" +fE --2—^Is = О,
для Я-волн
Я" + f J- - -^1 Я' + f Е - -2—J я « О,
zn I *r е J гп I (Jkr)2J zn
(4)
(5)
e = l-4r aexp((-A:r/fcr,)2)/(A:r.)2, где г - классический радиус
электрона, а - линейная электронная плотность, кг - эффективный
нормированный радиус метеорного - следа, е(кг ) = 1-Д, Д<<1, штрих
означает производную по аргументу.
Применение приближенных методов к задаче рассеяния радиоволн
на метеорном следе осложняется тем, что электродинамические
параметры следа - радиус отрицательного ядра кг и е'(кг ) -
изменяются в широком диапазоне значений за время расширения следа.
Рассмотрим уравнение (4). Заменой V = Vx E (х=кг)
преобразуем его к виду
Vw+Q,(z)V = О,
(6)
где Q,
= е_пМ/4.
Асимптотическое ВКБ решение уравнения (6) записывается в
виде [10]
Ezn « (x2e-n2)-1/4cosf Г VQdx-^Y
(7)
где Q=e-n /х , а х определяется из условия Q(x )=0. Асимптотика
(7) справедлива, согласно [12], при х*п»1. Однако, как пока-

зывает сопоставление (7) с асимптотикой точного решения (6) для
параболического закона е, фактически асимптотика (7) применима в
более широкой области, в том числе при малых п и любых значениях
е(0), лишь бы внешний радиус цилиндра был достаточно велик, а
неоднородность - плавная.
Случай Я-волн оказывается существенно сложнее. Приходится
отдельно рассматривать асимптотики (5) при с(0)<0 (xQ»l) и е(0)>0.
Асимптотические решения (5) при xQ»l найдем путем сдвига
полюсов (5) в точках х=0 и ж=х в бесконечно удаленную точку с
помощью замены переменной £=1п(хе(х)):
Hzn = /|?",/4exp(±iJ*V^ds), (8)
Ш-(в^х))2, (9)
где
о = е - —=, е = е + *
х2' э 2-е
где э - эффективная.
Искомое решение (5), удовлетворяющее условию убывания при
x<xQ, записывается аналогично (7) в виде
Hzn e c/|^'^[expf-iJ'Vgdxl+n^expfiJ1^^)]. (10)
X.
Коэффициент отражения Г=-* 1+ехр 2м Vgdx] берется из асимпто-
Х2
тического решения уравнения Е- волн в плоско-слоистой среде [13],
I, и 12 - ближайшие к точке ж0 нули функции q(x), определенные
условиями J (х )=0, г1>г01 J (х2)<0. Асимптотика (10) пригодна
при |(хе)'|»|(хе)" |»| (хе)*"|. Отметим, что асимптотика (10)
позволяет интерпретировать Я-волну в цилиндрически слоистой среде на
языке геометрической оптики как волну в среде с эффективной
диэлектрической проницаемостью (9), совпадающей аналогичным образом
с введенной эффективной проницаемостью для Е-волн в сферически
слоистой среде [11]. Ранее в [8] была приведена другая
асимптотика Я-волн в цилиндрически слоистой среде, также пригодная при
*0»1, но дающая значение эффективной диэлектрической
проницаемости, отличающееся от случая сферической слоистой и
плоскослоистой сред [11].
Полученная асимптотика позволяет рассматривать рассеяние
Я-волн как рассеяние на радиально неоднородном цилиндре с
проницаемостью е , имеющей, по сравнению со случаем Я-волн, больший
критический радиус и больший градиент диэлектрической
проницаемости, а также позволяет учесть эффект резонансного поглощения
поля в окрестности нуля диэлектрической проницаемости [13].

Для изучения рассеянного поля при больших радиусах цилиндра
ряд (2) преобразуется в сумму интегралов по непрерывному индексу
v с помощью формулы суммирования Пуассона и замены цилиндрических
функций их асимптотиками. Вычисление полученных интегралов
методом стационарной фазы приводило к приближению геометрической
оптики (модифицированной в случае Я-волн введением эффективной
проницаемости (9)). Кроме того, применялось прямое вычисление
интегралов на ЭВМ, при этом мы ограничивались учетом двух
интегралов, дающих наибольший вклад в рассеянное поле.
3. Для понимания закономерностей рассеяния волн от
метеорного следа сопоставим результаты строгого [4] и приближенных
методов расчета рассеянного поля.
На рис. 1 изображены зависимости коэффициента отражения А=
=Vka/2, а на рис. 2 - поведение фазы отраженной волны при разных
значениях линейной электронной плотности а, вычисленные
приближенными квазиоптическими и строгим методами для обратного
рассеяния Я- и 2?-волн. Для обеих поляризаций ГО дает удовлетворительное
согласие со строгим расчетом при условии е(0)<0, причем это
согласие улучшается с ростом линейной электронной плотности. Видно,
что модификация приближения ГО, основанная на введении
эффективной диэлектрической проницаемости [9], хорошо описывает явление
повышенного рассеяния Я-волн при kr^l, МИИ в случае £-волн дает
лучшее приближение к строгому решению по сравнению с ГО при
больших а, в том числе МИИ оказывается пригоден для описания
рассеяния при е(0)>0 и больших krf. В случае Я-волн МИИ имеет более
узкую область применения как по сравнению с приближением ГО при
е(0)<0, так и с МИИ для £-волн, что связано с использованием
асимптотик уравнения Я-волн, непригодных при е(0)~0. Тем не менее
существует область, в которой при е(0)<0 и больших кг МИИ в
примененной нами форме дает удовлетворительное согласие амплитуды
рассеянного поля со строгим расчетом. Так для а=1015 эл/м в
области 0,5<krt<2,3, а при а=5х1014 эл/м в области 0,5<кг(<1,6 ГО и
МИИ дают погрешность менее 20% по амплитуде относительно
строгого решения. Амплитуды Е- и Я-волн отличаются в этих областях
почти вдвое. Таким образом, приближенные методы пригодны, по крайней
мере, для грубого количественного описания коэффициента отражения
от цилиндрической плазмы.
Что касается поведения фазы рассеянного поля Я-волны, то
квазиоптические методы дают качественно правильное описание
только при кг »1 и больших а. В области малых кг и кг., где имеет
о о t
место явление квазистатического резонанса, квазиоптические методы
принципиально непригодны для описания поведения фазы рассеяния
Я-волны.

Рис. 1. Зависимость коэффициента отражения А от нормированного
радиуса метеорного следа krf: а, б - для Я-волны; в, г - для Е-
волны; а, в - для а=1014 эл/м; б, г - для а=10 эл/м; где 1 -
строгое решение, 2 - геометрическая оптика, 3 - метод
интерференционного интеграла, 4 - квазистатика
Отметим, что при использовании в рамках метода
интерференционного интеграла прямого численного интегрирования уравнения (5)
при произвольных v аналогично [14] следует ожидать лучшего
согласия со строгим расчетом, однако при этом МИИ не дает выигрыша по
объему и времени вычислений по сравнению с прямым расчетом рядов
(2).
Рассмотрим теперь сопоставление полученных результатов для

Я-волн с квазистатическим приближением [6], учитывающим дипольный
резонанс плазменного цилиндра. Из этого сопоставления (рис. 1)
следует, что и квазистатическое приближение и приближение ГО дают
описание эффекта повышенного рассеяния Я-волн, причем эти
приближения перекрываются при кг ~1, при этом квазистатическое
приближение дает лучшее согласие со строгим расчетом при kr^l, krf<l,
а ГО при противоположных условиях. Отличие квазистатического и
квазиоптического механизмов выявляется по поведению фазы Я-волны
(см. рис. 2). При а=1014 эл/м (кг <1) поведение фазы рассеянной
Ф.Град
1\*
320-
Ф.Град
380Н \
180
-20-
I I I I I I | I I I
ш I I I Г
а
б
■п
260-
210
i ii i i 11 i ii i i i i 11i pi i
кг*
1
в г
Рис. 2. Зависимость фазы Ф отраженной волны от нормированного
радиуса метеорного следа кг(: а, б - для Я-волны; в, г - для
Я-волны; а, в - для а=1014 эл/м; б, г - для а=1015 эл/м; где 1 -
строгое решение, 2 - геометрическая оптика, 3 - метод
интерференционного интеграла, 4 - квазистатика

волны носит явно квазистатический характер. При а=10 эл/м
поведение фазы с ростом krt меняется с квазистатического на
квазиоптический в области кто~\, что позволяет говорить о перестройке
механизма рассеяния.
Хорошо описывает вышеуказанную перестройку, а также
иллюстрирует бесстолкновительное поглощение поля в области е~0 двухпо-
зиционное рассеяние нормально падающих Я-волн плазменным следом.
Следует отметить, что о выделении индивидуальных резонансов в
рассеянном поле целесообразно говорить только при высокой их
добротности [15]. Как показал модовый анализ полей Я-волны,
рассеянных неоднородным следом, даже добротность дипольного резонанса
оказывается небольшой, а последующих мультипольных - еще ниже.
Дипольный резонанс при кг < 1 еще можно выделить в рассеянное поле,
поскольку остальные колебания при этом практически не
возбуждаются. При кг >1 рассеянное поле определяется суммой нескольких
перекрывающихся мультипольных колебаний низкой добротности и его
целесообразно рассматривать как единое целое. Влияние эффекта
бесстолкновительного поглощения поля Я-волны на рассеяние пучка
электромагнитных волн радиально неоднородным цилиндром под углами
<р=90°, 180° исследовалось ранее в [14]. На рис. 3 изображено
поведение амплитуды рассеянной волны обеих поляризаций в
зависимости от угла <р. При малых krt и krQ диаграмма рассеяния Я-волн
описывается квазистатическим приближением (рис. За). При больших krt
и кг , когда становится правомерным применение МИИ, диаграмма
рассеяния также имеет экстремальную зависимость от угла <р, однако
минимум диаграммы рассеяния не доходит до нуля и объясняется бес-
столкновенным поглощением поля в области е~0.
Оценим величину угла рассеяния Я-волны <р , при котором
амплитуда рассеянного поля минимальна вследствие резонансного
поглощения поля в области е~0. Используем локально плоскую
аппроксимацию цилиндрически слоистой среды с линейным законом е (9). Тогда,
согласно [13], минимум диаграммы рассеяния Я-волны имеет место
при pm=2arcsin[0,7(e')""1/3]. Эта оценка согласуется с
результатами прямого численного решения (рис. 3).
4. Проведенный анализ показал, что явление повышенного
рассеяния Я-волн (по сравнению с Е-волной) сверхкритическим
метеорным следом по мере его расширения вначале при малых радиусах
объясняется эффектом дипольного квазистатического резонанса, а далее
при кго»1 - квазиоптической трактовкой рассеяния Я-волны,
использующей понятие эффективной диэлектрической проницаемости.
Сопоставление квазистатического и квазиоптического приближений со
строгим расчетом для случая обратного рассеяния дает при кг ~ 1

0.5 {
•
0.0 -
A
\
\
\
/
1
2
/
/
Ф.Град
100
a
6q
2\
■
0-
A /
tl
i/
—-^ - i
4 Ф.Град
100
в ■
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения а от азимутального
угла: а - для а=1015 эл/м, krt=0,2; б - для а=10 эл/м, кг{=1,4,
kro=l,S5, (е')"2/3=0,65, р=120,5 град.; в - для а=5-1016 эл/м,
кг°=2,А, кго=5Л4, (е'Г2/3=0,68, ^=116,2 град.; г - для а=
=5-1016 эл/м, кг=1,А, fcro=ll,3, (™')"2/3=l,8, ym=62,9 град.; где
1 - строгое решение для 2?-волны, 2 - строгое решение для Я-волны,
3 - метод интерференционного интеграла для Я-волны, 4 - метод
интерференционного интеграла для Я-волны
качественное объяснение поведения фазы рассеянного поля и в
некоторой области параметров - удовлетворительное количественное
описание амплитуды рассеянного поля. Строго говоря, при соизмеримых

с длиной волны размерах следа от приближенных (квазистатического
и квазиоптического) методов и нельзя требовать большего, чем
качественной трактовки явлений. Тем не менее, представленные
результаты убедительно свидетельствуют, на наш взгляд, в пользу
квазиоптической трактовки явления повышенного рассеяния Я-волн
неоднородным сверхкритическим следом на основе приближений
модифицированной геометрической оптики и МИИ при увеличении радиуса
метеорного следа.
Abstract
It has been shown by analytical and numerical methods, that
the radiowave scattering from overdense meteor trail during its
expansion is accompanying by Я-wave scattering mechanism
modification from resonance to optical when trail radius is
commensurable with wave length. Phenomenon of Я-wave higher scattering in
comparison with £-wave is explained by two mechanisms, but the
fact of modification is discovered by Я-wave scatter phase
behavior.
Список литературы
1. Billam E.R., Browne J.С. Characteristics of radio echoes
from meteor trails. Polarization effects // Proc. Phys.- Soc. 1956.
V.B69. № 433. P. 98-113.
2. Сидоров В.В., Павлов А.Ф., Фахрутдинов Р.Ю. Использование
фазовой техники для изучения поляризованных явлений при отражении
радиоволн от метеорного следа // Изв. вузов. Радиофизика. 1965.
Т. 8. № 2. С. 234-243.
3. Михайлов Б.К., Сидоров В.В. Фазовые соотношения в
метеорных отражениях по результатам поляризационного эксперимента //
Метеорное распространение радиоволн. Казань: КГУ, 1971. Вып. 8.
С. 3-8.
4. Чумак Ю.В., Мойся Р.И. Рассеяние радиоволн плазменным
цилиндром // Изв. вузов. Радиофизика. 1977. Т. 20. № 1. С. 51-55.
5. Мак-Кинли Д. Методы метеорной астрономии. М.: Мир, 1964.
383 с.
6. Kaiser T.R., Closs R.L. Theory of radio reflections from
meteor trails // Phil. Mag. 1952. V.43. №336. P. 1-32.
7. Manning L.A. Ray-path calculation of overdense meteor echo
strength // Terr. Phys. 1963. V.25. P. 182-190.

8. Куваев В.М., Пермяков В.А. О влиянии поляризации
падающего поля на сечение обратного рассеяния неоднородного плазменного
цилиндра большого радиуса // Изв. вузов. Радиофизика. 1980. Т.23.
№5. С. 626-628.
9. Орлов Ю.И. Равномерное асимптотическое интегральное
представление полей в плавно неоднородных средах // Изв. вузов.
Радиофизика. 1974. Т.П. №7. С. 1035-1041.
10. Орлов Ю.И., Демин А.В. Асимптотический метод расчета
диаграмм рассеяния на радиально-неоднородном цилиндре // Труды МЭИ.
1980. №497. С. 10-15.
11. Пермяков В.А. Дифракционные эффекты при обратном
рассеянии электромагнитных волн радиально-неоднородным плазменным шаром
// Изв. вузов. Радиофизика. 1980. Т.23. №9. С. 1075-1084.
12. Эрдейи А. Асимптотические разложения. М.: Физматгиз, 1962.
127 с.
13. Пермяков В.А. О поведении электромагнитного поля в
окрестности простого нуля диэлектрической проницаемости плазмы // Труды
МЭИ. 1972. № 100. С. 20-24.
14. Вайнштейн Л.А., Биргер Е.С., Конюхова Н.Б. и др. //
Физика плазмы. 1976. №4. Т. 2. С. 659-671.
15. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы.
М.: Сов. радио, 1966. 456 с.
' " 8
' Ь ■
я.
- >т-
1

Л.Е.Курина
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕОДНОМЕРНОЙ
ТЕРМОДИФФУЗИИ В ПЛАЗМЕ ИОНОСФЕРНОГО ТИПА
Процессы неодномерной термодиффузии играют важную роль в
динамике перераспределения ионосферной плазмы при нагреве внешними
полями. Влияние теплопроводности и термосилы, учет которых для
неодномерных процессов в условиях ионосферы принципиален,
приводит к необходимости исследования системы уравнений переноса для
концентрации и температуры плазмы.
В работах [1, 2] процессы неодномерной термодиффузии были
проанализированы в приближении заданного профиля электронной
температуры в уравнении для концентрации плазмы. Такое рассмотрение
справедливо лишь на временах, больших, чем времена энергетической
релаксации, и не отражает всей сложности взаимосвязанных
процессов переноса тепла и концентрации в замагниченной плазме. Более
адекватным реальности представляется исследование совместного
распределения концентрации и температуры электронов, учитывающего
теплопроводность и термосилу в присутствии источника нагрева
электронной компоненты плазмы внешним ВЧ полем.
Для случая малых возмущений известные макроскопические
уравнения переноса для концентраций и температур электронов и ионов
при выполнении условия квазинейтральности плазмы можно привести к
удобному для анализа виду:
(9N ~ N. *.
— + ViD^AN) + —*-V(£> ДГ) = / ,
dt N Т т е
где
— + V(RTAT) + -±(R„AN) = - dvT+Qe,
dt T N. N
ф
й - biDe+beDi h _ N*biDTe
e { Ф e I
b,D +b D, В b.D +b Dt
Л_ £ e e t . ~ e г е е i
N K+bi ГФ be+bi
R - ^ 1 *'**• + l K>iK.
T NA e b +b{ N^ b +b .
Ф e i Ф e i

Здесь N и Г - возмущения концентрации и температуры электронов
Л. Л А А Л.
относительно фоновых значений АГ. и Г.; b ., D ., D- . к , в -
т Ф Ф e,r e,r Те' ** *е
соответственно тензоры подвижности, диффузии, термодиффузии,
теплопроводности и термосилы для электронов и ионов, определяемые
для фоновых значений N. и Г.; 6v=S v +<5 .v ., где v , v . -
т Ф Ф em em ei ei' M em' e,t
частоты столкновений электронов с нейтралами и ионами, <3 , д , -
средние относительные доли энергии, теряемые электронами при
соответствующих соударениях; 1е - член, описывающий рождение и
рекомбинацию электронов; Qe - величина, характеризующая нагрев
электронной компоненты внешним ВЧ полем.
Было проведено численное моделирование данной системы
уравнений, позволявшее получать 3-х мерное распределение концентрации
и температуры электронов в любой момент времени. При достаточно
большой выборке характерных времен можно проследить все
последовательные этапы динамики области возмущения температуры и
концентрации электронов.
Численное моделирование проводилось для модельного
представления функции, характеризующей нагрев внешним ВЧ полем, в виде
Q =Q ftexp - — ——У-\, а также для различных параметров ионо-
е е0 I. 2L 21 )
сферной плазмы. В целом картина перераспределения плазмы довольно
сложна, так как учитывает влияние всех процессов - диффузии,
термодиффузии, теплопроводности и термосилы и при этом существенным
образом зависит от соотношения продольного (/„) и поперечного
(Z ) к внешнему магнитному полю масштабов источника нагрева 1,/1^
Однако результаты численного моделирования позволяют заметить
важное различие в динамике плазменных образований для различных
параметров ионосферы.
В нижней ионосфере преобладающими являются
электронейтральные столкновения (v »v ). В этом случае компоненты тензора
термодиффузии и тензора диффузии для электронов, как известно,
практически совпадают ^Те\а^сш> ^Те1 и ^е1- Процессы
перераспределения первоначально (t=0) невозмущениой плазмы представляют собой
продольный и поперечный вынос электронов из динамической области
возмущения температуры и последующее диффузионное расплывание
вытесненной плазмы. Характерные скорости диффузионных и
термодиффузионных процессов были как и в [1-3] гораздо больше, чем в
случае амбиполярной диффузии одномерных структур. При этом
численно моделировалось также распределение вихревых токов короткого
замыкания, протекающих по фоновой плазме и позволяющих электрон-

ной и ионной компонентам плазмы диффундировать раздельно. На
периферии области возмущения концентрации плазмы формируются
области пониженной концентрации, т.н. "области обеднения", как и
описано в [2, 3].
В верхней ионосфере (преимущественно F-слой) преобладающими
становятся электронные столкновения. Связь компонент тензоров
термодиффузии и диффузии для электронов становится следующей:
£> »1,7£>я, D-*- = D. Моделирование продемонстрировало
весьма интересную особенность динамики формирования плазменных
неоднородностей в том случае, когда параметры плазмы и масштабы
источника таковы, что отношение масштабов L ../L области
возмущения температуры на каком-то интервале времени было достаточно
велико LT../LT »VD h /D . При этих условиях процессы перерас-
пределения первоначально невозмущенной плазмы начинались с
поперечного "затекания" плазмы в область прогрева, в результате чего
в центральной области прогрева образуется профиль повышенной кон-
центрации плазмы, и только с момента времени т ~ L-./D , начина-
i I ен
ется продольный термодиффузионный вынос частиц плазмы, приводящий
с течением времени к более типичному рельефу плотности плазмы -
пониженная концентрация в области прогрева и спадающие во внешнее
пространство периферийные возвышения плазмы, эволюционирующие так
же, как и при обычной диффузии в магнитном поле [3].
Таким образом, локальный нагрев электронной компоненты как
слабо-ионизованной, так и частично-ионизованной плазмы внешним ВЧ
полем вызывает масштабные и достаточно быстрые, по сравнению с
амбиполярными, процессы перераспределения плазмы, сопровождаемые
протеканием глобальных вихревых токов, что приводит к
существенному изменению условий распространения радиоволн и целому ряду
нелинейных эффектов.
Работа поддержана программами "Геокосмос" и "Университеты
России".
Abstract
It was shown that local heating of electronic component of
weak and partially ionized plasma by external high frequency
fields causes large-scale and high-speed processes of plasma
redistribution. This is accompanied by following of global vertical
currents and nonlinear effects in the ionosphere.

Список литературы
1. Костров А.В., Курина Л.Е., Миронов А.В. // XIX
International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade. 1989.
V.2. P. 484-485.
2. Воскобойников СП., Гуревич И.Ю., Рожанский В.А. //
Физика плазмы. 1989. Т. 15. Вып. 7. С. 828-837.
3. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. // Физика плазмы. 1989. Т. 15.
Вып. 7.
('«!■
'.■ iV. ',•:'■' ■, V;..

А.С.Костромин, С.А.Намазов,
А.М.Насыров, Ю.А.Романовский
РЕЗУЛЬТАТЫ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ
ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ИОНОСФЕРЕ
При распространении радиоволн через возмущенную ионосферную
плазму возникают заметные флуктуации амплитуды и фазы
принимаемого сигнала. Учет этих флуктуации важен для систем связи, работа
которых должна оставаться стабильной в возмущенных условиях.
Неоднородности электронной концентрации, вносящие наибольший вклад
в искажения радиосигналов, часто бывают сосредоточены в
относительно узких (толщиной до нескольких километров) слоях,
расположенных на высотах от 90 до 300 км. В качестве такой искажающей
радиополя области могут выступать как естественные (Es-слой), так
и искусственные плазменные образования (ИПО). В настоящей статье
приведены результаты экспериментальных исследований и
моделирования распространения метровых волн через область ионосферы,
возмущенную выбросами химически активных реагентов с борта ракет. В
этих экспериментах могут быть созданы условия, соответствующие
распространению радиоволн через ионосферный слой Es.
1. В большинстве случаев задача распространения радиоволн
через случайно-неоднородную область ионосферы точно не решается.
Однако существует ряд методов, позволяющих численно рассчитать
ряд важнейших характеристик поля волны, распространяющейся через
такую область [1, 4]. Одним из подходов, основанном на прямом
решении параболического волнового уравнения для неоднородностей,
сконцентрированных в относительно тонком слое, является метод
фазового экрана (МФЭ), впервые предложенный Ратклиффом [3].
Рассмотрим плоскую волну, падающую на неоднородный слой
ионосферы. При использовании МФЭ предполагается, что область,
занятая случайными неоднородностями электронной концентрации,
расположена в слое между плоскостями Z=z и Z=z{+Az.
Монохроматическая волна, прошедшая слой, регистрируется на земле в точке
(p,z ). Случайные вариации показателя преломления среды
распространения приводят к изменению фазы волны, поэтому после ее
выхода из неоднородного слоя волновой фронт оказывается случайно
модулированным. В ионосферной плазме флуктуации показателя
преломления An обусловлены флуктуациями плотности электронной
концентрации AN

г А2
An = --*—ДМ, (1)
2л: е
где г - классический радиус электрона (2,82-10~15 м), А - длина
падающей монохроматической волны.
При распространении волны к земле искаженный волновой фронт
приводит к формированию интерференционной картины, где флуктуации
определяются масштабами и интенсивностью неоднородностей
электронной концентрации.
Если электрическое поле волны представить в виде
E(x,z,co) = U(x,z,(o)exp(-ikz), (2)
то параболическое волновое уравнение принимает следующий вид [2]:
М£ -2ik^ +2k2bn(x,z,w)U = 0. (3)
дх dz
Для (3) предполагалось, что волна распространяется вдоль оси
Z, а слои (или неоднородности) имеют бесконечную протяженность
вдоль оси Y. Это удовлетворяет условиям ионосферы, где на высотах
более 100 км из-за анизотропии коэффициентов переноса
неоднородности вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля и I у>1 (I
и 1± - продольный и поперечный масштабы неоднородностей).
Уравнение, описывающее прохождение волны через слой толщины
Дг, получается из уравнения (3), если в нем пренебречь первым
членом. Таким образом
z.+Az
Uix.z^Az.w) = U(x,z ,(o)exp<ik\ u.n{x,z',w)dz'\ =
= U(x,zl,a))exp{i$(x,w)}, (4)
где Ф(х,ш) описывает фазовый экран.
Распространение волны между плоскостями Z=z и Z=z
описывается уравнением (3), в котором опущен последний член [2]:
E(x,z2,w) =
= exp{-ik(z2-zl)}fE(KJz,o))expliK2(z2-zl)/2k+iKx)dK, (5)
— ев
где E=U exp(-ikz), a U - Фурье-преобразование функции U в
плоскости Z.
U(K,z,w) =-Lf" U(x,z,w)e-iKxdx. (6)
2я J
-со
Реализация случайной функции Ф(х) фазового экрана определяется
пространственной спектральной плотностью (ПСП) неоднородностей
электронной концентрации в слое ионосферы. Результаты эксперимен-

тов по измерению ионосферных мерцаний [4] показывают, что ПСП
ионосферных неоднородностей имеет степенной вид S(K) ~ К'т с
показателем степени, заключенным в пределах 2<го<4. К - волновое
число неоднородностей. По результатам проведенных измерений,
представленным выше, т=2,1-2,3.
При численном расчете распространения радиоволн на основе
МФЭ задается стационарная случайная функция Ф(пАх), которая
описывает изменение фазы волны в узлах сетки, на которую разбивается
возмущенная область. Здесь Ах - шаг разбиения, п - порядковый
номер узла. В дискретном случае эту функцию можно выразить через
преобразование Фурье
Ф(пАх) = £ V{mAK)ei2nmn/NAK, 0*n*N-l. (7)
Фурье-образ фазы
Ф>{пШ = г \iiBAEiy/2t (8)
ml AK J
где S(mAK) - дискретные значения ПСП, г - случайное число с
нулевым средним и единичной дисперсией.
Обычно используют степенную или гауссовую форму спектра.
Удобная для моделирования степенная форма спектра имеет вид [2]:
^i,(it/V("-')%1[l/^l/Lj|
'(~2>/»««/*0>('/*2+1/*5 )
5ф(Ю . • г г „ ,,[г 0Л (9)
где аг - дисперсия фазы, /£ и LQ - внутренний и внешний масштабы
неоднородностей, I ,, I. _,.- ~ Функции Бесселя, т - параметр
степенного спектра флуктуации электронной концентрации.
Для гауссовой формы спектра:
5ф(Ю = {^ Ь0а2фехр[-К2Ь20/4]. (10)
Связь между дисперсией фазы и дисперсией электронной
концентрации имеет следующий вид:
а\ * 2(г Л)2ЬЛго1 : степенная ПСП, (11)
Ф е О N
е
а2 » ^л(.геХ)2Ь0Ага^: гауссовая ПСП. (12)
е
Численный расчет по программе, основанной на МФЭ, требует
задания электрического поля и фазы волны в дискретных узлах сетки
разбиения. При выборе числа узлов и расстояния между ними
необходимо выполнение следующих условий [2].
1. Распределение фазы на экране должно быть адекватно
реальной фазе. Это возможно в случае, когда длина фазового экрана в

5-10 раз превышает внешний масштаб неоднородностей, а шаг
разбиения в 2-3 раза меньше внутреннего масштаба неоднородностей. Для
гауссовой ПСП это условие примет вид:
Да; < nL/la^ (13)
2. Распространение волны в свободном пространстве должно
к2
происходить без искажений. Для этого приращение для функции
2 к
(5) не должно превышать л:
z < 2LUX/X. (14)
3. Краевые эффекты (угловое рассеяние волны на краях сетки
разбиения) должны быть минимальными. Для гауссовой ПСП
минимизация краевых эффектов достигается при
a.Xz
L > —$ . (15)
V2 nL0
При моделировании распространения волн параметры, связанные
с положением случайно-неоднородной области и ее характеристиками
(Lo,0.,z), определяются условиями эксперимента. Переменными,
изменением которых достигается выполнение условий применимости МФЭ,
в данном случае выступают L - длина области разбиения и N - число
узлов. Условия (13) и (14) применимости МФЭ, выраженные через L и
N примут вид
при условии 1: L < mLJI/Vlo^ (16)
при условии 2: 2L2 > zXN. (17)
При моделировании распространения радиоволн через ИПО
методом фазовых экранов требуется адекватное описание среды
распространения. Характеристики возмущенной области ионосферы могут быть
получены по данным оптических наблюдений и прямых измерений на
борту зондирующей ракеты. Ниже дано описание одного из
экспериментов по созданию крупномасштабных ИПО с помощью инжекции с
борта ракеты химических реагентов.
2. Эксперимент по инжекции плазмы проводился 19.08.1988 г. в
12.30 GMT в Центральной Атлантике. Пуск ракеты с инжектором
осуществлялся с борта научно-исследовательского судна. На высоте 165
км (126 секунд полета) производилась инжекция
цезий-калий-натриевой (Cs, К, Na) плазмы (150 г). В ходе эксперимента
осуществлялось радиозондирование искусственного плазменного образования с
борта ракеты и измерение его крупномасштабных характеристик
оптическими методами. Радиозондирование осуществлялось на частотах
45, 90, 200 МГц. Направление пуска ракеты (НП=127°) отсчитывается
от курса судна (КС=340°). Скорость судна 15 узлов.

Плотность электронной концентрации в ИПО (N ) определялась с
помощью данных ионного зонда на борту ракеты. Экспериментальная
временная зависимость плотности электронной концентрации
представлена на рис. 1. Через 0,5 секунды после инжекции N&
увеличивается с 5-Ю5 см"3 (фоновое значение) до 1,5-107 см"3
(максимальное значение) (рис. 1а). Затем происходит уменьшение N& с
одновременным усилением флуктуации электронной концентрации,
вызванное развитием неоднородной структуры ИПО (рис. 16).
kNel см
-з
4Ne, см
-з
I
10
Т, с
65
Рис. 1. Экспериментальные временные зависимости концентрации
электронов для интервала 0-8 с (а) и 30-70 с (б) после инжекции.
Момент инжекции отмечен стрелкой
На рис. 2 представлено пространственное распределение N для
этого эксперимента, построенное с учетом траекторных данных
(координаты и вектора скорости ракеты) по данным временных изменений
N , приведенным на рис. 1. L - пространственный масштаб вдоль
траектории ракеты. Цифрой 1 на рис. 2 обозначена кривая,
полученная путем сглаживания исходных данных, описывающая
крупномасштабное изменение JV в возмущенной области:
N (L) = N exp(-L2/rb (18)
е max 'О
с параметрами: N =1,2-107 см-3 и rQ=7000 м, где rQ - полуширина
ИПО.
Дисперсия электронной концентрации и масштаб неоднородностей,
полученные в результате исключения крупномасштабного изменения Ne,
соответственно равны: а^е=4,4-1010 (см-3)2, £0Я30 м для интер-

. 7
I0_
ю6_
Ne
lUJbi
4
m
r
-3
, CM
j
1
ДАННЫЕ
ОТСУТСТВУЮТ
1 L
III
i liiUU
1
1
III
I'll
I 114JI11 LI
1
1
1
J ,
lr\l
L, м
■1
0 2000 4000 6000 8000
Рис. 2. Пространственное распределение плотности
электронной концентрации в ИПО
вала 0-8 секунд, а2е=1,7-10п(см~3)2, 10«60 м для интервала 30-
80 секунд. Спектр неоднородности можно аппроксимировать
степенной функцией вида S(K) ~ К~т, с показателем степени т=2,1-2,3. К
- волновое число неоднородностей.
Крупномасштабные характеристики ИПО и их динамика были
получены по данным оптических наблюдений. Для начальной фазы инжекцин
характерно резкое увеличение диаметра ИПО до 6 км за первые 5
секунд. Через 30 секунд после инжекции ИПО вытягивается вдоль
силовых линий геомагнитного поля. Продольный масштаб ИПО Ln
становится в пять-десять раз больше поперечного масштаба L . В этой
фазе рост облака замедляется, начинается интенсивное образование
мелкомасштабных неоднородностей (рис. 1б).
Таким образом, на основе экспериментальных данных
искусственное плазменное облако можно представить в виде двух
составляющих: крупномасштабного изменения N , описываемого гауссовой
зависимостью (18), и флуктуационной частью со степенным спектром. В
этом случае функцию фазового экрана можно записать в виде:
Ф(я) = Ф.(а0+Ф (а:).
a s
(19)
Здесь Ф^(х) описывает детерминированную часть облака и имеет
вид:
Фл(х) - ф0ехр(-хг/г1),
(20)

где rQ - полуширина облака, <р0 - максимальный фазовый сдвиг.
Ф (ж) описывает случайную составляющую с ПСП вида (9) или (10) с
заданными характеристиками (дисперсия плотности электронной
концентрации и масштабы неоднородностей).
Локальное увеличение плотности электронной концентрации по
сравнению с окружающей средой приводит к тому, что такое
крупномасштабное образование будет действовать как рассеивающая линза с
фокусным расстоянием, равным [2]:
кг2
F = —-2. (21)
В ходе эксперимента осуществлялось измерение амплитуды
зондирующих сигналов с частотами 45, 90 и 200 МГц на борту судна.
Согласно экспериментальным данным в начальный момент времени
амплитуда принимаемого сигнала кратковременно увеличивается на 6-10
dB, затем происходит спад на 17-23 dB. Величина и время спада
зависят от частоты зондирующего сигнала. Через 30 секунд после
инжекции амплитуда принимаемого сигнала составляет от -8 dB для
частоты 200 МГц до -26 dB для частоты 45 МГц. Затем происходит ее
рост до величины 2-5 dB. Время роста амплитуды до максимального
значения уменьшается с увеличением частоты.
Уменьшение амплитуды радиосигнала, проходящего через ИПО
может вызываться поглощением радиоволн, экранировкой, а также
дифракционными явлениями. Анализ показал, что первыми двумя
причинами нельзя объяснить результаты, полученные в результате
проведенного эксперимента.
3. Для интерпретации экспериментальных данных был выполнен
численный расчет характеристик поля радиоволны, прошедшей
искусственно-возмущенную область ионосферы, образованную при инжекции
плазмы с борта ракеты для условий проведения эксперимента.
Для первых секунд после инжекции ИПО описывается одиночной
гауссовой линзой с детерминированными характеристиками. В случае
стратифицированного ИПО среда описывается детерминированной
гауссовой линзой со случайно-неоднородными флуктуацнями функции
распределения фазы. Фазовый экран представлялся в виде сетки
разбиения длиной 50 км с 16384 узлами. Дифракционное поле
восстанавливалось по 200 точкам, расположенным равномерно в плоскости приема.
На основе проведенных расчетов можно выделить характерные
зависимости дифракционного поля рассеянного сигнала в плоскости
приема:
1. Наличие дефокусирующей линзы приводит к рассеянию энергии
волны от центра линзы к краям. С увеличением расстояния до ИПО

распределение амплитуды сигнала приобретает более выраженный
характер дифракционных осцилляции. Фокусное расстояние линзы,
вычисленное по формуле (21), соответствует расстоянию от фазового
экрана до плоскости приема, при котором амплитуда сигнала на краю
области рассеяния достигает максимального значения.
2. На характер дифракционного поля в плоскости приема влияет
также частота распространяющегося радиосигнала. Влияние И ПО на
распределение интенсивности принятого сигнала уменьшается с
увеличением частоты (так, при /=50 МГц ослабление равно -27,1 dB, a
при /=200 МГц ослабление равно -5,5 dB).
3. Рост плотности электронной концентрации в ИПО приводит к
тому, что рассеивающая линза становится сильнее. Амплитуда
сигнала за центром линзы уменьшается, а краевая фокусировка возрастает.
4. Наличие случайной среды приводит к искажению
дифракционной картины в плоскости приема. С уменьшением частоты искажения
становятся сильнее. При этом поле вблизи центра линзы осциллирует
медленно, а максимальное затухание сигнала, определяемое
детерминированной частью неоднородной области, практически не меняется.
При моделировании эксперимента выделялось два характерных
интервала времени: начальная фаза инжекции (0-10 секунд), когда
приемный пункт находился в области тени от ИПО (т.е. передатчик,
ИПО и приемник расположены на одной линии) и фаза выхода
приемного пункта из области тени от ИПО (30-80 сек.).
При построении временной зависимости амплитуды принимаемого
сигнала для каждого момента времени выбиралась полуширина линзы
(по оптическим данным) и положение источника радиоволн (по траек-
торным данным), и численно рассчитывалась дифракционная картина в
плоскости приема. Вычисления проводились для трех частот
радиозондирования (45 МГц, 90 МГц и 200 МГц) при одинаковых условиях
моделирования.
В качестве модели ИПО на начальной стадии инжекции
выбиралась детерминированная гауссовая линза согласно формуле (18).
Сетка разбиения представлялась областью длиной 50 км с 16384
узлами разбиения. Для начальной стадии, как следует из рис. 1, не
наблюдается заметных флуктуации N . Поэтому случайные флуктуации
электронной плотности не учитывались.
Результаты расчета и экспериментальные данные приведены на
рис. 3. Минимальное расчетное значение амплитуды составило -0 dB
для частоты 45 Мгц, -23 dB для частоты 90 Мгц и -18 dB для
частоты 200 Мгц. Расчетное время спада амплитуды до минимального
значения составило от 2 секунд для частоты 45 Мгц до 7 секунд для
частоты 200 МГц.

U.dB
30
0
ш
20
1Г>
20l
U,dBA
л А.
-tf
V
) 2
Л
ч,
и
4
iA
V\
Т,с
6 ' А
J6 ' i ' 4 ' б
10-
о.
-10
-20-
-30-
%
U.dB
\лЛ
i/
■ i
A^
^
4
W/
17 V
T,c
6 8
Рис. З. Экспериментальные (а-в) и расчетные (г-е) временные
зависимости амплитуды принятого сигнала частотой 45 МГц (а, г), 90
МГц (б, д), 200 МГц (в, е), на начальной стадии развития ИПО
Для фазы выхода приемного пункта из области тени в качестве
модели ИПО выбиралась детерминированная гауссовая линза,
погруженная в случайно-неоднородную среду. Параметры детерминированной
линзы: N =1,2-107 см-3 и г =7000 м, спектр неоднородностей опи-
тлх V
сывался гауссовой пространственной спектральной плотностью с
параметрами: а =4,1-105 см"3, IQ=60 м. Сетка разбиения представля-
е
лась областью длиной 100 км с 16384 узлами разбиения. При
моделировании учитывался горизонтальный дрейф ИПО. В отсутствии дрейфа
приемный пункт выходит из области тени от ИПО за 5-10 секунд (для
частот 45-200МГц). При учете горизонтальной скорости дрейфа
порядка 50 м/с это время увеличивается для частот радиозондирования
до 45-60 секунд, что согласуется с экспериментальными данными
(рис. 4). Минимальное расчетное значение амплитуды составило -29
dB для частоты 45 Мгц, -17 dB для частоты 90 Мгц и -9 dB для
частоты 200 Мгц.

4. Таким образом, на основе модельных расчетов и сравнения
их с экспериментальными данными показано, что на начальной стадии
инжекции изменение амплитуды сигнала, прошедшего ИПО,
определяется увеличением диаметра ИПО во времени. ИПО играет роль дефокуси-
рующей линзы, приводящей к ослаблению поля радиоволны в точке
приема по сравнению с распространением через невозмущенную
ионосферу. На стадии выхода приемника из области тени динамика
изменения амплитуды принимаемого сигнала определяется диаметром ИПО,
наличием крупномасштабного изменения N и развитием
мелкомасштабных неоднородностей. На обеих стадиях уменьшение амплитуды
вызвано дифракцией радиоволн на ИПО. При этом затухание в области тени
зависит от частоты и составляет -29 dB для /=45 МГц, -17 dB для
/=90 МГц, -9 dB для /=200 МГц. На краю области тени наблюдается
фокусировка и уровень сигнала увеличивается на 5-10 dB.
Т,с
'% 40 50 ' 60 ' 70
10i
-Ю
-20-
-30.
U.dB
Т. с
10
0.
-10
-20
-30.
U,dB
J*^v
Т,с
30 40 50 ' 60 ' % *JU30 40 ' 50 ' (fo ' io
б „
Рис. 4. Экспериментальные (а-в) и расчетные (г-е) временные
зависимости амплитуды принятого сигнала частотой 45 МГц (а, г), 90
МГц (б, д), 200 МГц (в, е), при выходе приемника из области тени
Удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных
значений временной зависимости амплитуды зондирующего сигнала
является подтверждением применимости данного метода расчета для
моделирования экспериментов по радиопросвечиванию ИПО с борта
ракеты.

Abstract
The article submits experimental data and numerical
computation of radiowave propagation through large-scale artificial
ionosphere irregularities, formed at injection chemical reagents in
ionosphere. These experiments have created the conditions,
appropriate to Es.
Is received good conformity of experimental and model
results. The conclusion about prevailing contribution diffraction in
observable effects can be made.
Список литературы
1. Гунцзе Е., Чфаохань Л. Мерцания радиоволн в ионосфере //
ТИИЭР. 1982. Т. 70. №4. С. 5-45.
2. Непп Д.Л. Временные характеристики стохастических волн //
ТИИЭР. 1983. Т. 71. № 6. С. 40-58.
3. Ratcliff J.A. Some aspects of diffraction theory and their
application to the ionosphere // Rep. Progr. Phys. 1956. V. 19.
P. 188-267.
4. Алимов В.А., Рахлин А.В. Ионосферные сцинтилляции
радиосигналов. Препринт № 132. Горький: НИРФИ, 1979. 52 с.
u\-' г* ■' ■■.■ :;,: ^--«v, vw.
JiOl- .К;Т ■.■■'.■;;:..;,-.. ■ ■:;■'■ '-у.-:..-'А.-? ■ ;-;<\j' ,-.-.
■; г к-,-.гГ.-..-, -...:-,■■. -:.,:;' . ^-.\сд.
*>'->Ji!:'.-. ■ ■-■■'? i'"\t--i.-;- ■ .,, \ -ГгЛуП-?!., :~\: И:.:
:■ ":"Л':.;■'.•„ О'ч.^:■■:,•:.. j< ■" ^i^^.ioiq;

Л.Е.Курина, Г.А.Марков
ВОЗМУЩЕНИЯ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, СТИМУЛИРОВАННЫЕ
РАДИОРАЗРЯДОМ В F-СЛОЕ ИОНОСФЕРЫ
Результаты экспериментов "Активный шнур" [1-4] доказали
возможность возбуждения плазмен но -волновых разрядов в ночной
ионосфере Земли с борта летательных аппаратов как в средних [1], так
и в полярных широтах [2, 4]. Разряд представлял собой вытянутый
вдоль магнитного поля плазменный шнур с поперечным масштабом з=10
м и длиной *1 км. Параметры разрядной плазмы вблизи
радиоисточника N >106 см-3, Г_>20 Эв на несколько порядков превышали фо-
новые Nq, Гф, а их модуляция источником вызывала глубокую (на
порядок) модуляцию потоков высыпающихся частиц [2] и возбуждение
в ионосфере целого спектра низкочастотных резонансных явлений [4,
5]. Особый интерес представляют возможности приема на Земле
электромагнитного излучения на частотах амплитудной модуляции разряда
(/д.*100 Гц). На динамических спектрах принятого сигнала были
обнаружены узкополосное излучение (/^/w). возникшее при включении
бортового генератора накачки и затухавшее ~ 300 сек после
выключения накачки, и модуляционные сателлиты, по-видимому, связанные
с возбуждением ионосферного альвеновского резонатора [5, 6]. Для
объяснения указанных эффектов оказалось необходимым предположение
о формировании искусственного ионосферного дакта потоком плазмы
из области разряда [2, 5, 6].
В настоящей работе представлены результаты анализа и
характерные оценки масштабов расплывания вытянутых вдоль магнитного
поля неоднородностей в плазме ионосферного типа. Динамика
расплывания плазменных неоднородностей определяется уравнениями
переноса для плотности N и температуры Г электронов:
dN л N. 1
— + V(IX.\W) +-*-7(А_7Г ) = I, (1)
dt N Т т е е
Ф
ЭГ 1 ~
—±-—Ч(к VT ) =
at n e e
= -<5 v (Г -Г )-<5 v XT -T.) + -J— Re(i!S<»)£0), (2)
em em em etezet ЗЛГ Ue 0
где / - источник заряженных частиц, формируемых полем EQ, в
разрядной области с проводимостью а .
Для неодномерных неоднородностей вследствие протекания по
фоновой плазме вихревых токов короткого замыкания процессы диффу-

знойного и термодиффузионного расплывания идут гораздо быстрее
[7, 8], чем в случае амбиполярного механизма, причем скорости
этих процессов существенным образом зависят от высоты.
Для получения оценок масштабов возмущений рассмотрим
несколько областей ионосферы по высоте Я, различающихся степенью
ионизации плазмы и, как следствие, характером столкновений ее
частиц. Учтем также, что плазменная неоднородность имеет плотную
часть, сильно отличающуюся от фона Ш»А?ф), в которой,
по-видимому, успевает устанавливаться стационарное распределение с ха-
Г .
рактерным продольным масштабом L~yD /v ~ 10 км (D ~
ам' рех ам Mv
im
- коэффициент амбиполярной диффузии, v - частота рекомбинации
электронов, v ~ vn ип ~ Ю~2 с"')• В неоднородности имеется
также длинный размытый "диффузионный" хвост, где N~N и выполнены
условия быстрой униполярной диффузии. Время установления стацио-
нарного распределения плазмы в хвосте превышает 10 с.
На высотах Я*150 км частота столкновений электронов с
нейтральными частицами v «4-102 с"1 велика по сравнению с частотой
столкновений электронов с ионами v ., 6 ~ 10" - доля энергии,
передаваемая электроном нейтральной частице при столкновениях
(деГ ю-3).
Общий продольный масштаб неоднородности плазмы LN..
оценивается из (1) по масштабу "диффузионной" части L ~ VD Л ~50
Г
KMVt(c), где D ~ mve ~ коэффициент продольной униполярной диф-
ет
фузии электронов, Г ~20 эВ и предположено, что продольный
коэффициент термодиффузии DT „-D . Продольный масштаб неоднородности
температуры L . выражается через продольный коэффициент электрон-
NT
ного теплопереноса к ,, ~ _„е как L_. ~ Vk ,/Nd v ~ 150 км и
r eH mv T\\ e|' его em
етп ,
устанавливается за время энергетической релаксации т ~ ~
д v
„ tm em
-2-10'2 с.
Приведенные оценки показывают, что уже через 1 с после
включения генератора плазменная неоднородность прорастает до высот
Я>200 км, где v >v , v «102 с-1, и поэтому увеличивается ско-
рость роста длины неоднородности плазмы L^-V TJmv^t-Ш
кмVt(c). При этом увеличивается время энергетической релаксации

пучка т~ ~ 10 с. В результате работы генератора накачки в
3 .v .
ti ei
течение Д<~5 с плазменная неоднородность прорастает до высот
Я~700 км, где частота столкновений электронов становится vei« 1
с-1, скорость роста неоднородности непрерывно возрастает, а
диффузионный поток электронов постепенно превращается в их свободный
разлет вдоль геомагнитного поля.
Поперечные масштабы неоднородности L„ ~ V3 t = RD,Vv~i,
LTl ~ rB^veit (RBi и гВе ~ гирорадиусы ионов и электронов)
сравнительно малы и определяются в реальном эксперименте перемещением
радиоисточника в пространстве.
Проведенные оценки показывают, что за достаточно
продолжительное время (Д*~100с) работы радиоисточника малой мощности (W<\
кВт) в силовой магнитной трубке радиусом R~Rm формируется
искусственный дакт плотности длиной в несколько десятков тысяч
километров, существенно изменяющий геофизическую обстановку в своей
окрестности.
Работа поддержана программами "Геокосмос" и "Университеты
России".
Abstract
Analysis results and specific estimates of spread scales are
presented for ionospheric irregularities extended along of a
magnetic field. It is shown that artificial duct of density several
tens of thousands kilometers in length is generated in force
magnetic tude with radius approximately equal to gyroradius of
electrons, during word time (At ~ 100 s) of radio source with a weak
power (W<\ kWt). It essentially changes geophysical situation in
its locality.
Список литературы
1. Агафонов Ю.Н., Бабаев Л.П., Бажанов B.C. и др. Плазменно-
волновой разряд в ионосфере Земли // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15.
В. 17. С. 1.
2. Агафонов Ю.Н., Бажанов B.C., Исякаев В.Я. и др.
Стимулирование высыпания энергичных частиц плазменно-волновым разрядом в
полярной ионосфере // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т.52. В. 10. С. 1127.
3. Кудрин А.В., Марков Г.А., Трахтенгерц В.Ю. и др. Эффекты
вторичного излучения при воздействии на ионосферу интенсивным

электромагнитным пучком // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31.
№2. С. 334.
4. Агафонов Ю.Н., Бажанов B.C., Гальперин Ю.И. и др.
Низкочастотные возмущения в ионосферной плазме, стимулированные
бортовым ВЧ-источником // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. В. 16. С. 65.
5. Марков Г.А., Чугунов Ю.В. Глобальные возмущения
магнитосферы, стимулированные плазменно-волновым разрядом в нижней
ионосфере // Изв. вузов - Радиофизика. 1994. Т. 37. В. 6. С. 791.
6. Агафонов Ю.Н., Башилов Г.В., Марков Г.А., Чугунов Ю.В.
Активная плазменная антенна в ионосфере Земли // Геомагнетизм и
аэрономия. 1995 (в печати).
7. Рожановский В.А., Цендин Л.Д. Столкновительный перенос в
частично-ионизованой плазме // М.: Энергоатомиздат, 1988.
8. Костров А.В., Курина Л.Е., Миронов В.А. The Peculiarities
of Thermal Diffusion of Plasma in a Magnetic Field // XIX
International Conference on Phenomena in Ionized Gases // Belgrad.
1989. V.2. P. 484-485.
гг. ;.;r »•
■<■■ :,;;•>?.•■. .-
1.. ■.№•■■:
a>m>- ■•'■ ■
■ ■'■,:, ,.i
.:;._ . v.; i
; ;,'_
'..-.)
'.4 •.>;,,.
■\'?'.:Ы
-г At
' it'
■Hi
Л»
'■; 1:
W -"ficvs <■>■■,.. nif.-;
A* •/,•■. Я •■!;>■.,»',
lib .1 .'''..':: ^V ,''-!•:/.. i\ .'Уц ч-И-СЖТ;'

V. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СЛОЯ Es И СОПУТСТВУЮЩИХ ЯВЛЕНИЙ
Р.Г.Минуллин
ВАРИАНТ РЕГИОНАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРНОЙ СЕТИ
Краткосрочный прогноз состояния ионосферы с высокой степенью
оправдываемости, который необходим для решения текущих задач
радиосвязи, радиопеленгации, загоризонтной радиолокации,
телевидения может быть получен только на основе оперативной диагностики
ионосферы с учетом спорадических образований типа слоя Е и F-
рассеяния. Однако существующая ионосферная сеть в нашей стране и
способ регистрации монограмм обеспечивают доступ к ионосферной
информации с большим запаздыванием во времени, достигающим
нескольких часов или даже суток [1]. За это время спорадические
образования слоя Е и /"-рассеяния претерпевают значительные
изменения. В такой ситуации ни о какой оперативности в диагностике
ионосферы для составления краткосрочных прогнозов ее состояния
речи быть не может. Следовательно, ионосферная сеть, выполняющая
задачи оперативной диагностики с выдачей результатов зондирования
потребителям в близком к реальному масштабу времени должна быть
реализована на другой принципиальной основе и на другой
технической базе.
В данной статье обсуждаются принципы организации
региональной ионосферной сети, где сбор информации с периферийных пунктов
иа центральный осуществляется с помощью метеорной радиосвязи, что
обеспечивает получение данных о состоянии ионосферы в
обслуживаемом регионе почти в реальном масштабе времени с высокой степенью
оперативности и надежности.
Основу такой сети должны составлять цифровые ионозонды с
электронной перестройкой частоты зондирования и с хронизаторами,
привязанными к эталонной шкале времени, которые позволяют наряду
с режимом вертикального зондирования (ВЗ) осуществлять режим
наклонного зондирования (НЗ).
Цифровой ионозонд обычно имеет в своем составе микро-ЭВМ,
что обеспечивает неограниченное количество вариантов режимов
работы ионозонда. Но самым распространенным режимом зондирования
является следующий:
- диапазон частот - 1-30 МГц,
- количество частот - 400,
- длительность импульса - 100 мкс,
- частота следования импульсов - 100 Гц,
- мощность импульсная - 2-5 кВт,
- полоса пропускания приемника - 10 кГц;

- количество отсчетов дальностей - 255,
- дискретность отсчета дальностей
в режиме ВЗ - 2,5 км,
в режиме НЗ - 5,0 км,
- диапазон измеряемых дальностей
в режиме ВЗ - 50-640 км,
в режиме НЗ - 0-1280 км,
- диапазон задания начальной дальности - 0-4500 км,
- количество импульсов на одной частоте - 1 (4,8,16),
- минимальное время получения ионограммы - 4 с,
- вывод информации - на принтер, на магнитную ленту, на диски.
При таком режиме зондирования ионограмма, записанная
непосредственно с выхода приемника в запоминающее устройство ЭВМ,
занимает объем памяти примерно в 100 кБ. После первичной обработки
(удаление шумов и помех) объем ионограммы может быть доведен до 1
кБ. Последующая специальная обработка ионограммы может уменьшить
ее объем еще в несколько раз.
Региональная ионосферная сеть должна состоять из
центрального и периферийных пунктов. Периферийные ионозонды располагаются
относительно центрального ионозонда по окружности радиусом 1600-
1800 км, при равномерном расположении по окружности их количество
будет равно 6 (черные квадраты, как показано на рис. 1 .
Рабочий цикл региональной сети может начинаться с работы
центрального ионозонда в режиме вертикального зондирования. В это
время на центральном пункте регистрируются ионограммы ВЗ, а на
всех шести периферийных пунктах регистрируются ионограммы НЗ. При
этом для ВЗ и НЗ могут использоваться одни и те же антенны. Как
показали наши эксперименты, дельта-антенны, предназначенные для
вертикального зондирования и входящие в состав цифрового
ионозонда "Циклон" [2, 3], устойчиво принимают ионограммы наклонного
зондирования на расстояниях до 1800 км. Это было проверено нами
на трассах Москва-Казань длиной 700 км и Калининград-Казань
длиной 1800 км.
Таким образом, благодаря монограммам НЗ, получаются сведения
о состоянии ионосферы на расстояниях, равных половине расстояния
между центральным и периферийными пунктами, т.е. еще в шести
точках на малой окружности радиусом в 800-900 км (заштрихованные
квадраты на рис. 1). В следующий интервал времени поочередно
осуществляется вертикальное зондирование ионосферы периферийными
ионозондами. Излучение их передатчиков после отражения от
ионосферных слоев принимается ближайшими соседними ионозондами,
расположенными на окружности. В итоге регистрируются ионограммы НЗ,

характеризующие состояние ионосферы в точках между периферийными
пунктами на расстояниях в 800-900 км между ними (светлые квадраты
на рис. 1). Таким образом, благодаря использованию режима НЗ
общее количество станций как бы увеличивается до 19 штук (см.
рис. 1).
А- -*- -А
<- -t- -%■ -*- -)
Рис. 1. Схема размещения ионозондов вертикального зондирования
(черные квадраты) в составе региональной сети. Заштрихованные
квадраты - области ионосферы, освещаемые при наклонном
зондировании во время совместной работы центрального и периферийного
ионозондов; белые квадраты - области ионосферы, освещаемые при
наклонном зондировании во время поочередной совместной работы
периферийных ионозондов, расположенных рядом
Известно, что для регулярной ионосферы (слои Е, F\, F2)
радиус пространственной корреляции составляет 700-900 км по
меридиану. По параллели радиус корреляции тоже может составить 700-900
км, если учесть регулярные изменения ионосферы из-за вращения
Земли. Описанная ионосферная сеть репрезентативно контролирует

пространство в пределах круга диаметром 3200-3600 км. Если учесть
корреляционные свойства регулярных ионосферных слоев, то диаметр
круга может увеличиваться до 4800-5400 км. Таким образом,
подобная региональная сеть может покрыть территорию Европейской части
нашей страны. А чтобы покрыть всю территорию нашей страны
потребуется 5-6 таких региональных сетей.
Естественно, что в периферийных пунктах должны находиться
ЭВМ, с помощью которых осуществляется обработка ионограмм ВЗ и
НЗ, сокращается их объем и определяются те параметры, которые
необходимо передавать ка центральный пункт.
На центральном пункте мощная ЭВМ на основе модели ионосферы,
введенной в нее, периодически рассчитывает текущее состояние
ионосферы для данного региона, которое оперативно корректируется
по данным периферийных пунктов. На основе скорректированной
модели определяется прогнозируемое состояние ионосферы. Потребители
ионосферной информации, вступая в связь с центральным пунктом,
могут иметь сведения как о текущем, так и о прогнозируемом
состояниях ионосферы.
Естественно, оперативная диагностика ионосферы с построением
текущей ионосферной карты региона может состояться только при
незамедлительной передаче данных зондирования с периферийных
пунктов в центральный пункт. Для этого необходима своя независимая
автономная связь, не подверженная воздействию ионосферных
возмущений и других катаклизмов.
Таковой может быть метеорная связь, осуществляемая в
диапазоне 25-60 МГц на расстояниях до 1800 км [4]. Метеорная связь
относится к системам прерывистой связи, где сеансы связи могут
длиться от долей секунд до нескольких секунд с паузами, иногда
достигающими десятков секунд. Однако благодаря значительной широ-
кополосности метеорного радиоканала (до 2 МГц и более) скорость
передачи информации во время сеансов связи может быть достаточно
большой [4, 5],
Неблагоприятные условия для метеорной связи в течение суток,
как видно из рис. 2а, наступают в 18 часов, в это время число
метеорных отражений N наименьшее. Минимум в сезонных вариациях
численности метеоров имеет место весной, как показано на рис. 26.
Расчеты для этих наихудших условий показывают, что ионограмма со
средним уровнем обработки, что соответствует объему информации в
1 кБ, может быть передана через метеорный канал за отдельные
сеансы связи в течение 20-30 секунд.
Метеорная связь не подвержена ионосферным возмущениям, на
нее практически не влияют увеличения поглощения радиоволн, так

N N
150 ^jT^lrj 150 ■
100 Ц_ X 100 ■
SO SO
1 1 i 1 1 i 0 . . 1 1 • 1-
0 4» в 12 16 20 24 I & Ш Ш I S
L 7 Месяцы
a 6
Рис. 2. Типичные вариации численности метеорных радиоотражений в
диапазоне метровых волн: а) среднечасовой в течение суток,
б) среднемесячной в течение года
как связь ведется, в основном, в метровом диапазоне волн [б, 7].
Сигналы, отраженные от метеорных следов, могут быть приняты в
ограниченной зоне с радиусом в несколько десятков км относительно
приемного пункта. За пределами этой зоны побочный прием
невозможен, поэтому все периферийные пункты метеорной связи могут
работать на одной несущей частоте, не мешая друг другу.
В то же время на центральном пункте сбора ионосферной
информации благодаря случайности появления пригодных для связи
метеорных следов, и следовательно, случайности во времени сеансов связи
с периферийными пунктами не надо принимать специальных мер для их
разнесения во времени. Метеорные системы связи работают в
автоматическом режиме выбора времени и длительности сеансов передачи
информации.
Альтернативой описанному варианту региональной сети, где
периферийные пункты являются высокооснащенными в техническом
отношении, может быть вариант региональной сети, где периферийные
ионозонды могут иметь очень простую функциональную схему и
единственную программу работы ("жесткий" программатор) в
автоматическом режиме. В этом случае периферийные ионозонды не имеют ЭВМ и
работают только в режиме вертикального зондирования с первичной
обработкой ионограммы. Тогда ионограммы наклонного зондирования
со стороны периферийных ионозондов принимаются поочередно на
центральном пункте и там подвергаются полной обработке. Там же по
монограммам ВЗ, переданным с периферийных пунктов на центральный
пункт через систему метеорной связи, определяются необходимые
параметры для коррекции текущей ионосферной карты данного региона.
Таким образом, снижение уровня технической оснащенности перифе-

рийных пунктов компенсируется повышением технической оснащенности
центрального пункта.
Для осуществления режима наклонного зондирования хронизаторы
периферийных и центрального пунктов должны быть привязаны к
единой шкале времени, каковой может быть эталонная шкала нашей
страны. В настоящее время самым доступным способом привязки хрониза-
торов к этой шкале являются передачи сигналов времени
радиостанциями РВМ, PAT, РИД и т.д. в декаметровом диапазоне волн. Но, как
известно, этот диапазон подвержен влиянию ионосферных возмущений,
особенно в высоких широтах, вплоть до полного пропадания связи.
Однако метеорная связь позволяет решить и эту проблему. Благодаря
широкой полосе пропускания метеорный канал, как показали
целенаправленные эксперименты, может обеспечить привязку шкал времени с
погрешностью, не превосходящей единиц микросекунд и даже десятков
наносекунд [5]. Такая точность привязки вполне достаточна для
хронизаторов ионозондов, которые обычно привязываются между собой
с погрешностью, равной единицам и десяткам микросекунд. Таким
образом, на базе ионосферной сети, имеющей в своем составе систему
метеорной связи, может одновременно существовать высокоточная
шкала времени в пределах обслуживаемого региона с выдачей ее
данных потребителям. Поскольку высокоточные шкалы сверяются и
корректируются с периодичностью, составляющей десятки часов и даже
несколько дней, то потребительские каналы с выходом на хранители
шкал времени периферийных пунктов будут иметь небольшую загрузку.
Поэтому эти каналы могут быть реализованы путем временного
разделения на базе той аппаратуры метеорной связи, которая
предназначена для передачи ионограмм на центральный пункт.
Центральные пункты региональных сетей на территории страны
могут быть связаны между собой через граничащие периферийные
пункты. В итоге региональные центры могут обмениваться данными о
текущей ионосферной обстановке и иметь оперативную ионосферную
карту всей страны.
Таким образом, предлагаемый вариант региональной ионосферной
сети с метеорными каналами связи между центром и периферийными
зондирующими пунктами дает возможность оперативного контроля
ионосферы и обеспечивает потребителей текущей ионосферной
информацией, а также достоверными краткосрочными прогнозами суточных
вариаций параметров ионосферы. Региональная ионосферная сеть
может оперативно следить за возникновениями и перемещениями
спорадических слоев Es, ионосферных возмущений, обнаруживать отклики
ионосферы на нагрев, на наземные и ядерные взрывы, на запуски
ракет. Вся эта оперативная информация может быть незамедлительно
передана соответствующим потребителям. Описываемая сеть с метеор-

ными каналами связи может быть использована также для сбора и
передачи потребителям метеорологической и геофизической информации,
а также другой малообъемной информации, собираемой с больших
территорий.
Abstract
The variant of regional ionospheric network creation is
suggested for the routine diagnostics of the ionospheric condition.
The network consists of one central ionosonde and six peripherial
and may to service the territory with diameter in 3800 kms on
circle, that corresponds the European part of our country. Iono-
sondes work in conditions of vertical and oblique sounding among
themselves. The meteor radio communication is used for receiving
and transmission of ionospheric information from peripherial iono-
sondes to the central ionosonde.
Список литературы
1. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм.
М.: Наука, 1977. 341 с.
2. Минуллин Р.Г.,Назаренко В.И.,Петров Л.М.,Сапаев А.Л.,
Сюняев Р.З., Уткина Т.И., Шерстюков О.Н., Меткий А.И. Приемный
модуль цифрового ионозонда на базе микроЭВМ "Электроника ДЗ-28"
// Метеорное распространение радиоволн. Казань: Казан, ун-т,
1987. № 20. С. 81.
3. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н., Сапаев А.Л., Назаренко
В.И., Меткий А.И., Сюняев Р.З., Акчурин А.Д. Цифровой ионосферный
комплекс "Циклон" // Ионосферные исследования. Москва, 1989. №46.
С. 109-115.
4. Метеорная радиосвязь на ультракоротких волнах. / Под ред.
Казанцева А.Н. М.: Ин. лит., 1961. 286 с.
5. Минуллин Р.Г., Палий Г.Н., Сидоров В.В.,Сухоцкий А.В.,
Иванова Ю.Д. Привязка шкал времени к Госэталону с использованием
метеорных отражений // Измерительная техника. 1971. № 1. С.22-24.
6. Бойков В.И., Жулина Е.М., Кацевман М.М., Коровин А.В.,
Курганов Р.А., Лукин И.В., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н. Влияние
протонных вспышек в августе 1972 года на распространение
радиоволн в субавроральной области // Геомагнетизм и аэрономия. 1973.
Т. 13. №6. С. 1116-1117.
7. Жулина Е.М.,Курганов Р.А., Минуллин Р.Г., Носова Г.Н.
Влияние аврорального поглощения на численность метеорных
отражений // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18. №4. С. 734-737.

Е.Ю.Зыков, Р.Г.Минуллин, О.Н.Шерстюков А.Д.Акчурин
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИОНОГРАММ
В ИОНОСФЕРНОМ КОМПЛЕКСЕ "ЦИКЛОН-10"
1. На протяжении более 30 лет ионосферные исследования в
большинстве случаев осуществляются при помощи автоматических
ионозондов в режиме вертикального зондирования. Использование в
последнее время компьютеров в составе ионозондов позволило
перейти от аналоговой регистрации результатов зондирования к цифровой.
При этом изменилась и технология управлением приемно-передающим
трактом. Эта задача была возложена на ЭВМ, что позволило к тому
же легко реализовать режим наклонного зондирования с разнесенными
в пространстве приемником и передатчиком ионозонда.
Среди цифровых ионозондов, разработанных в России, можно
указать разработки ИЗМИР РАНа, такие, как "Сойка", "Базис" и
"Парус" [1], а также ионозонды, разработанные в Иркутске и Томске
[2].
Из зарубежных цифровых ионозондов следует отметить
появившуюся одной из первых исследовательскую систему "Digizonde-256"
[3]. Из более простых промышленных разработок подобных систем
можно привести клоны польского ионозонда KOS и новозеландского
IPS [4].
Естественно, что усовершенствование аппаратуры для
исследования ионосферы и запись получаемых ионограмм в цифровом виде
привели к созданию новых более эффективных алгоритмов обработки
результатов зондирования в автоматическом и полуавтоматическом
режимах.
Первой системой, работающей в автоматическом режиме и
показывающей достаточно высокий процент достоверной обработки
ионограмм в условиях средневозмущенной ионосферы, была система
обработки ионограмм вертикального зондирования ARTIST [5], на основе
исследовательского ионозонда "Digizonde-256".
К сожалению, не все сетевые ионозонды обладают возможностью
аппаратной регистрации поляризации, угла прихода и допплеровского
смещения частоты отраженного сигнала, что влечет за собой
значительное усложнение программ, некоторые потери в качестве и
увеличение времени обработки. Однако развитие вычислительной техники
позволяет обойти эти трудности: так, например,
программно-аппаратный комплекс "Digion", базирующийся на системе IPS-42, успешно

эксплуатируется на протяжении ряда лет в Оклеидском университете
15].
В России первые алгоритмы очистки ионограмм, выделения
ионосферных следов и автоматической обработки ионограмм, входящие в
состав пакета программ ТРАССЕР были разработаны в СибИЗМИРе [6,
7]. В ИЗМИР РАНе был создан подобный по своим функциональным
возможностям пакет PACIFIC [1].
2. В Казанском университете разработка семейства цифровых
ионозоидов "Циклон" ведется с 1983 г. [8-10]. За это время было
разработано несколько вариантов ионозоидов соответственно
развитию вычислительной техники. Вариант "Циклон-9" реализован
промышленным способом, прошел государственные испытания и сдан на
тиражирование. Последний вариант "Циклон-10" включает в себя: IBM-
совместимый компьютер, приемное устройство Р-399 (Катраи) или
Р-309 (Прыжок), импульсный передатчик, систему хранения времени и
блок сопряжения.
Ионозонд "Циклон-10" имеет следующие характеристики [11]:
1-32 МГц,
50-200 мкс,
5 кВт,
10-50 Гц,
256,
2,5 км,
400,
произвольный,
- диапазон рабочих частот
- ширина зондирующего импульса
- мощность передатчика в импульсе
- частота следования импульсов
- количество высотных отсчетов
- разрешение по высоте
- количество частот зондирования
- шаг по частоте
- количество уровней оцифровки по амплитуде: 1024.
Мощность передатчика для сопоставимости результатов
измерений выбрана соответствующей энергетике передатчиков, используемых
в настоящее время в аналогичных ионозондах, а также для
сопоставимости получаемых ионосферных данных с существующим 30-летним
рядом наблюдений других станций.
Исходная монограмма представляет собой матрицу слов (2
байта), размером 256x400 и занимает около 200 кБ на магнитном диске.
Программное обеспечение комплекса функционирует под
управлением операционной системы MS-DOS. В качестве основного языка
программирования выбран Borland-Pascal; библиотеки вывода графики на
экран, управления принтером и некоторые другие процедуры,
требующие максимального быстродействия или обеспечивающие управление
аппаратурой в режиме реального времени реализованы на Ассемблере.
Принимаемые данные обрабатываются IBM-совместимым
персональным компьютером, обладающим, по современным меркам, невысоким
быстродействием и ограниченным размером оперативной памяти, в

связи с чем при разработке и реализации алгоритма основной упор
делался на минимизацию кода и возможность обработки ионограмм в
режиме реального времени.
3. Работы по автоматической обработке ионограмм программными
средствами были начаты в Казанском университете в 1990 г.
Последний вариант пакета программ "Циклои-Рапид" в настоящее время
позволяет производить традиционную обработку ионограмм в режиме
сетевого ионозонда: первичную очистку ионограмм от шумов,
архивацию ионограмм для долговременного хранения на магнитном диске,
идентификацию ионосферных слоев с отсчетом их высотно- частотных
параметров, сохранение результатов обработки в международном
формате, рекомендованном URSI.
Для изучения динамики ионосферы, спорадических образований
типа слоя Es и F-рассеяния, перемещающихся ионосферных возмущений
ионозоид "Циклон-10" может быть переключен на исследовательский
режим. В этом случае меняется технология управлением работой
ионозондом, увеличивается периодичность снятия ионограмм,
вводятся нониусные отсчеты в ограниченном высотном интервале,
параллельно ведется прием сигналов наклонного зондирования на
нескольких фиксированных частотах в виде двухминутных
амплитудно-временных реализаций. Соответственно меняется и программное обеспечение.
Обработка ионограмм в ионозонде "Циклон-10" происходит по
следующей схеме:
1) производится сжатие исходной ионограммы с последующей
записью на диск для архивного хранения;
2) осуществляется выделение сигнала из шумов, включающее в
себя:
- фильтрацию импульсных помех,
- удаление кратных отражений,
- очистку от случайных шумов;
3) ионограмма подвергается гистограммному экспресс-анализу
на предмет исследования возможности автоматической обработки, в
случае положительного решения вызывается процедура интерпретации
ионосферных слоев, в противном случае - процедура интерактивной
обработки с привлечением оператора;
4) формируется выходной файл отсчетов.
4. Более подробное описание перечисленных процедур приведено
ниже.
Сжатие исходной ионограммы. Первоочередной задачей,
возникающей при обработке ионограмм, является уменьшение ее размеров для
долговременного хранения. Современные архиваторы можно разделить
на две основные группы, к первой из группе относятся архиваторы,

осуществляющие сжатие информации без потери информации, а ко
второй - архиваторы, теряющие часть информации при компрессировании
исходных данных.
Как показала практика, современные методы архивации без
потери информации обладают слишком малым коэффициентом компрессии
для того, чтобы можно было воспользоваться ими для практического
применения. Так адаптивный LZM-компрессор [12] с фиксированным
размером окна iV=8 кБ позволяет сжать тестовую монограмму лишь на
30%, а усовершенствованный LZSS [13] с плавающим размером буфера
- на 50%. Но даже при сцеплении выхода последнего со входом
алгоритма адаптивного кодирования Хаффмена [14] удалось добиться
только двухкратного уменьшения размера исходного файла.
Из методов архивации с потерей информации был испробован
метод усеченного блочного кодирования [15], который при приемлемом
быстродействии и 4-х кратном коэффициенте сжатия приводил к
недопустимой потере информации, особенно в пограничных областях
зарегистрированных слоев.
Для сжатия ионограмм было решено обнулять значения амплитуд
сигнала, лежащих ниже некоторого критического значения,
выбираемого для каждой частоты индивидуально. После такой динамической
пороговой обработки полученные значения сжимались обыкновенным
RLE алгоритмом [16]. Полученная таким образом "укороченная" ионо-
грамма сжимается в 20 раз и имеет объем примерно 10 кБ. Типичная
ионограмма, обработанная по динамическому порогу, приведена на
рис. 1. На ионограмме хорошо видны помехи от работы
расположенного рядом радиопередатчика.
Выделение сигнала из помех. Для этой цели полученная
ионограмма подвергалась воздействию двухмерных сглаживающих фильтров
[17]. Помеха, при рассмотрении ее во времени (т.е. при
рассмотрении отсчетов разных высот одной частотной реализации) проявляет
себя как гауссовский шум, который, как известно, лучше всего
сглаживается простым низкочастотным фильтром. При рассмотрении
перехода между реализациями на соседних частотах низкая
корреляция между шумовыми помехами приводит к тому, что помеха
становится импульсной и нуждается в сглаживании медианным фильтром. Таким
образом, "анизотропность" шума несколько снижает эффективность
двумерных сглаживающих фильтров.
Практические эксперименты показали, что метод динамической
пороговой обработки позволяет надежно выделить сигнал, если его
амплитуда превышает среднее значение помехи на данной реализации.
Если же значение помехи достаточно велико, то гораздо проще
отбросить все значения на данной частоте, чем проводить исследова-

Kazan 25.07.93 16:20.00
1.0 3.0 5.0 7.0 9.0FTHHz
Рис. 1. Ионограмма, подвергшаяся пороговой
динамической обработке
ния формы сигнала и при помощи корреляционного или спектрального
анализа проводить его отделение от помехи. Последнее, кстати, не
всегда возможно сделать из-за сложной формы огибающей помехи. На
рис. 2 приведены аплитудные реализации для соседних частот, на
одной (а) из которых сигнал полностью подавлен помехой от
работающего радиовещательного передатчика.
На следующем этапе ионограмма подвергается очищению от
кратных отражений от ионосферных слоев. Для выделения кратных
отражений осуществляется проверка на кратность высот. При определении
доверительного интервала задается надежность 0,95. Тогда из
таблиц нормального распределения можно найти, что для конкретных
ионограмм величина доверительного интервала будет составлять
приблизительно 11 км.
После удаления кратных отражений на каждой частоте
выделяются локальные максимумы и ионограмма подвергается окончательной
очистке от шумовых помех. Значительная часть оставшихся шумовых

161
fflz
116
a 6
Рис. 2. Амплитудные реализации сигналов: а - при высоком уровне
помех от радиовещательной станции, б - при низком уровне помех
помех представляет собой единичные выбросы вдали от компактных
групп точек, принадлежащих следам ионосферных слоев. Ионограмма
подвергается фильтрации скользящим окном. Если точка на
монограмме не имеет "соседей" в области, ограниченной окном, то она
считается ложным отсчетом или помехой и удаляется. Размер окна по
горизонтали равен 5-ти значениям частот. По вертикали окно имеет
плавающий размер, плавно изменяющийся снизу вверх от 5-ти до
11-ти высотных значений, что связано с разной пространственной
ориентацией ионосферных следов на монограммах.
Пример ионограммы, очищенной от шумов при помощи
вышеприведенных методов, приведен на рис. 3. Видно, что количество помех
значительно снизилось по сравнению с предыдущим вариантом.
Интерпретация следов. К вторичной обработке ионограмм
относятся алгоритмы построения ВЧХ и отсчета ионосферных параметров.
Для построения ВЧХ необходимо выделить связнонепрерывную
последовательность точек-отсчетов и определить их принадлежность тому
или иному ионосферному слою.
Из-за погрешностей измерения или диффузности ионосферного
слоя отсчеты, принадлежащие следу, всегда имеют разброс [18].
Кроме того,, несмотря на первичную очистку, на ионограмме
присутствует часть аномальных точек, поэтому для построения гладкой
высотно- частотной характеристики требуется алгоритм усреднения,
который позволит сохранить основные особенности следа.
166
Л№
:
И7

Kazan 25.07.93 16:20.00
H км;
600 :'
500 :'
400 •
зоо;
200 :
100 :
1.0 3.0 5.0 7.0 9.0FfHHz
Рис. 3. Ионограмма после предварительной очистки от шумов
и следов кратных отражений
Ионосферу можно условно разделить на две основные области:
верхнюю ионосферу (области F1 и F2) и нижнюю ионосферу (области Е
и Es), граница между которыми проходит на уровне около 180-200 км.
Для расшифровки ВЧХ вводится ряд логических и эвристических
проверок и в зависимости от результата проверки принимается
решение об опознании области и дальнейших действиях. Построение
непрерывной линии каждого опознанного следа производится отдельно,
с учетом особенностей, присущих каждому ионосферному слою.
При выборе значимых отсчетов на ионограмме применяется метод
"голосования", при котором среди нескольких возможных вариантов
построения ВЧХ слоя при прочих равных условиях выбирается лишь
тот, который обеспечивает наиболее "гладкую" аппроксимацию
полученной линии. Правильность интерпретации следов обыкновенной и
необыкновенной компонент слоя F проверяется по соответствию
разности полученных значений критических частот половине значения
гирочастоты. Если соответствие не обнаружено, то выдается
сообщение о возможности некорректной обработки ионограммы.
В процессе опытной эксплуатации ионосферного комплекса
алгоритм автоматической интерпретации следов ионосферных слоев неод-

нократно подвергался модернизации. Так, в частности, для
"облегчения" работы эвристического анализатора, т.е. уменьшения
количества ошибок при неверной интерпретации слоев в условиях
возмущенной ионосферы и повышения скорости обработки, для определения
ионосферных областей, содержащих ионизированные слои, ионограмма
перед обработкой анализатором подвергалась гистограммному анализу.
Суть этого метода, применительно к ионограммной обработке в
"Циклоне", заключается в следующем: сначала строится гистограмма
амплитуд отраженных сигналов по высотам, после чего полученная
гистограмма подвергается сглаживанию низкочастотным фильтром.
Далее выделяются локальные максимумы и минимумы распределения
отраженного сигнала и по ним находятся верхняя и нижняя границы слоя
Е (и Es, если он присутствует) и нижняя граница слоя F. Если
невозможно надежно идентифицировать границы, то вместо них
подставляются расчетные значения по модели распределения электронной
концентрации в ионосфере [19]. Затем строятся соответствующие
гистограммы амплитуд по частотным реализациям для нижней и
верхней ионосферы. Эти гистограммы, в свою очередь, подвергаются
сглаживанию, но на этот раз уже медианным фильтром, по причине,
рассмотренной выше. Области ионограммы, в которых распределение
сигнала не превышает некоторой критической величины по амплитуде,
подвергаются очистке. На рис. 1 рядом с монограммой приведены
соответствующие гистограммы по высотным (справа) и частотным (снизу)
реализациям (для ^-области), по которым можно судить о
расположении на ионограмме следов ионосферных слоев.
Сглаживание не самой двухмерной ионограммы, а лишь ее
гистограмм позволило на порядок увеличить скорость обработки ионограмм,
не ухудшая качество конечной обработки.
Разделение областей Е и Es производится также при помощи
гистограммного анализа: в области, определяемой расчетным
значением, для критической частоты foE ищется локальный минимум.
Частота, ему соответствующая, и будет являться искомой критической
для слоя Е.
Добавление к гистограммной обработке эвристического
анализатора позволило достичь результатов обработки, сравнимых с
результатами работы аналогичных зарубежных программ [20], использующими
"чистый" гистограммный анализ, несмотря на функционирование
последних под управлением гораздо более мощных процессоров.
Ионограмма, подвергшаяся полной очистке и пригодная для дальнейшей
обработки или хранения, приведена на рис. 4. Хорошо видно, что
практически все помехи, включая и помехи от радиопередатчика,
исчезли.

И кг
ЙОО •
bull
400 :
300 :
200 ;
100
Kazan
25.07.93 16:20.00
:Ч
У---
*
>
> /
т ч "i "i™
.Jf't'-fT"
1.0
3.0
5.0
7.0
aoFjHz
Рис. 4. Ионограмма, полностью очищенная от помех
5. В данной работе эффективность автоматической обработки
ионограмм оценивалась по статистическим данным в ходе обработки
массива из 100 ионограмм, полученных нами 27-29 июля 1992 г, в г.
Нарофоминске. Ионограммы регистрировались круглосуточно через
каждые 30 мин. Анализ показал, что 82% ионограмм обработаны в
автоматическом режиме с удовлетворительной точностью, погрешность
отсчета частотных параметров не превышает 0,2 МГц. Причем следует
отметить, что около 20% ионограмм не являлись стандартными и
имели особенности, которые могли бы нарушить их обработку.
6. На протяжении ряда лет система автоматической обработки
ионограмм, разработанная нами, используется в ионосферных
комплексах серии "Циклон". Система устойчиво обрабатывает ионограммы,
полученные в условиях средневозмущенной ионосферы. Исследования
работоспособности программы показали, что в сложных ионосферных
условиях она все же может давать недостоверные отсчеты
ионосферных параметров.
Можно выделить следующие особенности на ионограммах, которые
безусловно требуют привлечения оператора для интерактивной
обработки:
- низкое соотношение сигнал-помеха, большое количество
сосредоточенных помех и малая протяженность следа по частоте от

ионосферных отражений по сравнению с исследуемой частотной
областью (обычно предутренние регистрации);
- отсутствие необыкновенной компоненты в следе слоя F2 или
наличие третьей магнитоионной компоненты;
- наличие следов сильнодиффузных отражений в области F или Б
области, наклонных отражений и расслоений;
- присутствие на ионограмммых следах разрывов свыше 20
значений регистрируемых частот;
- наличие следов полупрозрачных Bs-отражений двойной и
тройной кратности, которые нарушают следы отражений в F-области.
Для уменьшения количества некорректно обработанных монограмм
в подобных случаях необходимо применять алгоритм, позволяющий
заранее определять возможность обработки данной нонограммы в
автоматическом режиме. Одним из возможных методов решения может
служить применение гистограммного экспресс-анализатора в качестве
селектора, оценивающего возможность обработки ионограммы без
привлечения оператора и выбирающего наиболее подходящий к
конкретному случаю алгоритм, либо, при невозможности обработки,
привлекающий внимание оператора для дальнейшей интерактивной
интерпретации "нестандартной" ионограммы.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований (грант № 94-05-16090а).
v 3 I Г я I I
In given work the brief review of the modern digital iono-
sondes and the automatic scaling ionogram programs used in them
was performed. The algorithms of the automatic scaling ionogram
are in more details considered: the compression of initial
Sonograms, the cleaning ionogram from noise, the interpretation of
echo traces of ionospheric layers, the interpretation of echo
traces of ionospheric layers. The application of histogram
express-analysis for determination of opportunity of processing
ionograms in automatic regime was considered. The experiments
carried out by ionospheric complex "Cyclon-10" have shown that
the application of histogram express - analysis together with
heuristic analyzer the quantity of errors in comparison with
conventional methods of processing.

Список литературы
1. Pulinets S.A. Automating vertical ionogram collection,
processing and interpretation // Ionosonde networks and stations.
Proceeding of Session G6 at the XXIV General Assembly of the
International Union of Radio Science (URSI) Kyoto. Japan. National
Geophysical Data Center. 1995. Boulder. P. 37-43.
2. Брынько И.Г., Галкин И.А., Грозов В.П. Иоиозонд с
непрерывным ЛЧМ-сигналом // Препринт СибИЗМИР СО АН СССР. № 13-86.
Иркутск, 1986.
3. Reinich B.W., Huegin Н. // Radio Science. 1983. V. 18.
№3. P. 477-492.
4. Titheridge J.E. Computer-controlled operation of the IPS-
42 ionosonde // Ionosonde networks and stations. Proceeding of
Session G6 at the XXIV General Assembly of the International
Union of Radio Science (URSI) Kyoto. Japan. National Geophysical
Data Center. 1995. Boulder. P. 28-33.
5. Bill K., Reinisch B.W. The universal digital ionosonde //
Radio Science. 1978. V. 13. №3. P. 519-530.
6. Галкин И.А. Программное обеспечение системы
автоматической обработки ионограмм вертикального зондирования. I. Первичная
обработка ионограммы // Препринт СибИЗМИР СО АН СССР. №20-87.
Иркутск. 1987. 17 с.
7. Галкин И.А. Программное обеспечение системы
автоматической обработки ионограмм вертикального зондирования. 1.
Интерпретация высотно-частотной характеристики // Препринт СибИЗМИР СО
АН СССР. № 22-88. Иркутск. 1988. 13 с.
8. Минуллин Р.Г., Назаренко В.И., Петров М.М., Сапаев А.Л. и
др. Приемный модуль цифрового ионозонда на базе микроЭВМ
"Электроника ДЗ-28" // Метеорное распространение радиоволн. Казань:
Казан, ун-т. 1987. №20. С. 81-87.
9. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н., Сапаев АЛ., Назаренко
В.И. и др. Цифровой ионосферный комплекс "Циклон" // Ионосферные
исследования. М.: 1989. №46. С. 109-115.
10. Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н., Сапаев А.Л., Назаренко
В.И., Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю. Цифровой ионосферный комплекс
"Циклон-9". Деп. ВИНИТИ. 1994. № 1518-И94.
11. Akchyurin A.D., Minullin R.G., Nazarenko УЛ., Sherstyu-
kov O.N., Sapaev A.L., Zykov E.Yu. The Ionospheric Complex
"Cyclon" // Ionosonde networks and stations. Proceeding of
Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union
of Radio Science (URSI) Kyoto. Japan. National Geophysical Data
Center. 1995. Boulder. P. 35-36.

12. Мастрюков Д. Алгоритмы сжатия информации. Алгоритмы
сжатия в драйверах устройств //Монитор. 1994. №4. С.24-32.
13. Мастрюков Д. Алгоритмы сжатия информации. Алгоритмы
группы L // Монитор. 1994. №2. С. 10-18.
14. Мастрюков Д. Алгоритмы сжатия информации. Сжатие по Хафф-
мену // Монитор. 1993. №7-8. С. 12-16.
15. Delp EJ., Mitchel O.R. Image compression using block
truncation coding // IEEE Trans. Commun. 1979. V. COM-27. №9.
P. 1335-1342.
16. Романов В.Ю. Популярные форматы файлов для хранения
графических изображений на IBM PC. M.: Унитех, 1992. 157 с.
17. Jain A.K. Fundamentals of digital image processing. New
Jersey. 1989. 569 p.
18. Галкин А.И. О точности регистрации ионосферных параметров
при вертикальном зондировании // Ионосферные исследования. 1968.
№16. С. 173-178.
19. Модели распределения электронной концентрации. ГОСТ
25645.140-86 - ГОСТ 25645.142-86. М.: Государственный комитет
СССР по стандартам, 1986. 28 с.
20. lgi S., Minakoshi #., Yoshida M., Nozaki К., el. al.
Automatic ionogram processing system // Journal of the
Communications Research Laboratory. July. 1992. V. 39. №2. P. 357-402.
- ' . !. V-.. ■,.: >'Lt. . ' "*
•■'■'■ '-■'■•' :•■•:•?-. ■,'■ »■>!.-.,;. SfXJ'" r ■:-,<. .[■
%V-- .-i. ■ У-. Г'-: .
•''.- • '.i i.-,., . ■• ii.-. - •■<■'-. J*."!'.■t«>:;,'''j.''. ■ >■ .
^' 0 T-.* ■.■!■.•;■ '"Jllt'l' ;■: *ЧО;,С!!».. . '\j \ ■..•.>■*■'•'•!■:':•■'
• C'-"> .' 1 '."in'■■••.• ■"■'-•:■ :■ '. ,."ii: ьч-jMd! ::;rN!>r:j ^TfU! "''.
■■". ■- '/:>'■...■■■- t; >: i <K; i; ■•{•> -rjrrj::» '■увнюки.ъ:
5<j >'i-',qjti.-<:. xsqr Of м;..;: :i "4:. >■»■ ■мл^аоиг.;,- ;..;:>
i|*\i;'f'y(i.(!i,'.,:i::-.q .'iow-ii*\«» хууя^'ВТЛйч" ■,-«.,:.:п:ит.

А.Г.Колесник, С.А.Колесник,
П.М.Нагорский, Б.М.Шинкевич
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ
И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ФОНА В КАНАЛЕ ЗЕМЛЯ-ИОНОСФЕРА
Стремительное развитие технических средств радиоэлектроники,
радиосвязи, телевидения, энергетики и др. привело к устойчивой
тенденции наращивания плотности электромагнитных потоков в
окружающей среде и расширению частотного диапазона электромагнитных
излучений. В настоящий момент времени напряженность
электромагнитных полей техногенного происхождения уже на несколько порядков
величины превышает напряженность соответствующих полей
естественного происхождения [1]. В масштабе эволюционного процесса всего
живого на Земле этот рост напряженности следует рассматривать как
скачок с неизвестными на настоящий момент времени экологическими
последствиями. Возникает проблема диагностики и контроля
электромагнитного фона естественного и техногенного происхождения в
окружающей среде, уровень которого в значительной мере
определяется состоянием ионосферы. Особую роль в электромагнитном
загрязнении окружающей среды играют радиоволны ниже частоты 30 МГц,
поскольку они могут удерживаться в канале Земля-ионосфера и
распространяться на большие расстояния вплоть до кругосветных.
В настоящей работе представлено описание радиотехнического
комплекса, позволяющего производить прием и обработку сигналов,
получать динамические спектральные и амплитудно-фазочастотные
характеристики полей в диапазоне частот от 0,1 Гц до 30 МГц,
которые являются исходными для решения различных задач, относящихся к
ионосферным, геофизическим, экологическим исследованиям.
Радиоприемный измерительно-вычислительный комплекс введен в регулярные
измерения параметров ионосферы в области КНЧ - ОНЧ - НЧ - ВЧ
радиоизлучений и позволяет:
- вести наблюдения флуктуации электромагнитных полей в
области шумановских резонансов в диапазоне от 0 до 40 Гц с
разрешением 0,01 Гц;
- оценивать спектральный состав огибающей и средний уровень
поля в диапазонах частот 90-1000 Гц и 1-300 кГц;
- вести одновременный прием до трех реперных радиостанций,
либо нерегулярно действующих источников радиоизлучений в
диапазоне частот 3 - 100 кГц с оценкой амплитудных и фазочастотных
параметров принимаемых сигналов;

- вести прием до восьми радиостанций в диапазоне частот 1
МГц—32 МГц по устанавливаемой программе с оценкой спектрального
состава огибающей исследуемого сигнала в диапазоне частот 0-40 Гц
с разрешением 0,01 Гц;
- измерять интегральный уровень поля иа любой из 3200 частот
диапазона 1-32 МГц;
- вести измерение вариаций компонент и измерять модуль
вектора магнитного поля Земли;
- определять модовый состав и динамику параметров
коротковолнового сигнала (допплеровское смещение частоты),
распространяющегося в ионосферном канале связи на радиотрассах большой
протяженности методом наклонного зондирования, что позволяет
регистрировать турбулентность ионосферы в диапазоне периодов от 3 сек до
1 часа и дает возможность вести наблюдение за сейсмоакустическими
источниками, гелиогеомагнитными, антропогенными возмущениями и
оценивать их влияние на электродинамические параметры ионосферы.
Структурная схема комплекса приведена на рис. 1, на которой:
1 - антенный коммутатор;
2 - предварительный дифференциальный усилитель 233-6;
3 - истоковый повторитель и режекторный фильтр 50 Гц,
входное сопротивление 10 МОм, крутизна 40 дБ/окт;
4 - анализатор спектра 01021 в режиме ФНЧ, частота среза 35
Гц, крутизна 20 дБ/окт, входное сопротивление 100 кОм;
5 - фильтр нижних частот SM26/11021, частота среза 31,5 Гц,
крутизна 24 дБ/окт, входное сопротивление 100 кОм;
6 - анализатор спектра ТОА-111, режим внешних фильтров;
7 - фильтр нижних частот SM27/11022, частота среза 1000 Гц,
крутизна 24 дБ/окт;
8 - фильтр верхних частот SM23/11018, частота среза 90 Гц,
крутизна 24 дБ/окт;
9 - развязывающий усилитель 233-6;
10 - анализатор спектра ТОА-111 с фильтром верхних частот
SM24/11019, частота среза 1000 Гц, крутизна 24 дБ/окт;
11 - нановольтметр УНИПАН-233 с амплитудным детектором;
12, 14 - радиоприемное устройство Р-683;
13 - фазометр Ф2-16, либо Ф2-34;
15 - рубидиевый стандарт частоты 41-50;
16, 17, 19, 20, 21, 22 - радиоприемные устройства Р-399А;
18 - антенное распределительно-согласующее устройство;
23 - синтезатор частоты 46-31;
24 - многоканальный преобразователь частоты с выходными
фильтрами нижних частот;

антенны 1, 3, 4, 5 - вертикальный штырь 5 м;
антенна 2 - горизонтальный симметричный диполь, длина
каждого уса 60 м с возможностью заземления концевых электродов, либо
ферритовая рамочная антенна.
* 3
15
9 <->—Н 16
18
» Л 5
нъ
* в
11
12
13
* 11
16
17
Ю
2в
п-^;
hiririTr
22
гл
Хливввкщи 9
■МП ПСТЧИ» **
-> выход 1 < КНЧ )
-> шкод 2 ( СЯЧ )
-> выход з < т )
-» выход i ( С/Р )
К «Н ТНМИС J
-» ямяод 5 (EI УП1
— к miuiK Л
-> выход Б (О ЯП)
выход 7
выход 8
выход 9
16
Рис. 1. Структурная схема радиоприемного комплекса
(пояснения в тексте)

Основу радиоприемного тракта в диапазоне частот 1,5 Гц—300 кГц
составляют высокочувствительные широкополосные усилители типа
УНИПАН, терцоктавные анализаторы спектра типа ТОА-111, анализатор
спектра типа 01013, дополненные необходимыми для разделения полос
и развязки каналов фильтрами нижних и верхних частот и
согласующими истоковыми повторителями. Спектральная чувствительность
каналов тракта составляет 30 нВ/Гц .
В тракте приема эталонных сигналов частоты и времени репер-
ных радиостанций, работающих на частотах диапазона 20,5-25,0 кГц,
используются радиоприемные устройства СДВ, имеющие
чувствительность с симметричной магнитной рамочной антенной в полосе
пропускания тракта ПЧ 130 Гц не хуже 0,06 мкВ, а с открытой антенной не
хуже 35 мкВ. Этими же РПУ ведутся регулярные наблюдения сигналов
радионавигационных радиостанций на частотах 11,9, 12,65 и 14,9
кГц. Сигналы всех этих радиостанций используются в качестве
рабочих при оценках их сезон но-суточных амплитудно-фазочастотных
флуктуации, а также аномальных изменений под влиянием среды
распространения. Опорным сигналом в фазовых измерениях является
сигнал радиостанции РТЗ, работающей на частоте 50 кГц. Фазовые
оценки производятся по промежуточной частоте радиоприемных устройств.
Оценка долговременной многосуточной фазовой нестабильности
радиоприемного тракта при приеме в опорном и измерительном каналах
сигналов радиостанции РТЗ дает значение не хуже 3-х градусов, что
является вполне достаточным.
Тракт приема сигналов ВЧ радиодиапазона построен на основе
радиоприемных устройств типа Р-399 с чувствительностью не хуже
0,6 мкВ. Все радиоприемные устройства синхронизированы
молекулярным стандартом частоты типа 41-50. Фазовые характеристики
сигналов измеряются измерителями разности фаз типа Ф2-16 и Ф2-34.
Измерение магнитного поля Земли и его вариаций
осуществляется магнитовариационной станцией, позволяющей измерить вариации
компонент Н и Z магнитного поля Земли в пределах до 1000 нТ
каждого знака и разрешением до 0,5 нТ, а также квантовым
магнитометром, позволяющим измерить модуль вектора магнитного поля Земли
в пределах 15000-70000 нТ и разрешением при максимальной скорости
измерений 100 в секунду не хуже 1 нТ.
Управление комплексом и его программирование через
соответствующие интерфейсы и пакет прикладных программ осуществляются от
IBM PC. Результаты измерений накапливаются в специализированной
базе данных. На схеме рис. 1 магнитометры и интерфейсные линии
связи с IBM PC не показаны.
Получаемые данные дают возможность измерять
электродинамические параметры волновода Земля-ионосфера и их изменения под

воздействием различных факторов природного и техногенного
происхождения. Покажем некоторые аспекты использования комплекса в
режиме мониторинга электромагнитных полей.
Нижние слои ионосферы на настоящий момент изучены
недостаточно полно. Вместе с тем, по данным различных авторов
диагностика и контроль за процессами в области D и нижней части области
Е дают мощные геоинформационные средства изучения
электромагнитных предвестников землетрясений.
Из научно-технической литературы [2, 3] известны аномальные
изменения распространяющихся сверхдлинноволновых радиосигналов,
которые могут трактоваться как отклик на процессы в приземной
атмосфере. Авторами выполнен анализ случаев аномального поведения
сигналов, наблюдаемых за несколько суток до землетрясений на
трассах, проходящих вблизи сейсмоактивных районов, и подобное
поведение СДВ-радиосигналов на трассах, проходящих вблизи атомных
электростанций при аварийных ситуациях на них, сопровождающихся
выбросом радиоактивных веществ. Показано, что в обоих случаях
присутствует общая причина - изменение проводимости атмосферы.
Увеличение проводимости атмосферы вблизи Земли приводит к
изменению вертикального тока проводимости, а он, в свою очередь,
приводит к изменению параметров ионосферы. К аномальным проявлениям
относятся вариации амплитуды и фазы СДВ-сигнала по отношению к их
поведению в невозмущенных условиях.
Попытка объяснить наблюдаемые аномалии СДВ-снгнала
известными механизмами пока не дали результатов. По-видимому, такое
положение связано с тем, что поведение D-области ионосферы,
ответственной за распространение сигналов этого диапазона
радиочастот, не укладывается в существующие схемы и имеются
существенные отличия от остальной части ионосферы. С одной стороны, это
обусловлено ее составом, присущим только Р-области, а именно,
наличием отрицательных ионов, преобладанием кластерных ионов. С
другой стороны, для ее описания недостаточно только аэрономичес-
ких факторов и известных механизмов ионизации солнечными и
галактическими космическими лучами. Возникает еще необходимость
привлекать метеорологические влияния и литосферно-ионосферные
взаимодействия.
В [3] приведены основные характеристики ионосферных
предвестников землетрясений:
- изменение электронной концентрации на всех ионосферных
уровнях и высоты h, что обуславливает характерные вариации N(h)-
профилей;
- изменение регулярных параметров волноводного канала Земля-
ионосфера;

- генерация слабых переменных электромагнитных полей в
диапазоне частот от единиц до десятков килоГерц;
- образование во всей толще ионосферы неоднородностей
различных масштабов.
Из работы [4] следует, что процесс подготовки землетрясения
сопровождается двухполосным электромагнитным излучением над
эпицентром за несколько часов до главного толчка с максимумами
интенсивности в диапазонах частот ниже 1 кГц и между 10 и 15 кГц.
КНЧ-излучеиия падают по интенсивности с частотой и регистрируются
на земной поверхности надежней, чем излучения СДВ-диапазона.
Диапазон частот, в котором регистрируется сейсмический ионосферный
предвестник охватывает полосу частот альфвеновских волн и первых
двух мод шумановских резонансов.
Качественно новые сведения для прогноза землетрясений, на
наш взгляд, можно получить, контролируя весь объем ионосферы,
возмущенной предвестником, оценивая его эволюцию, осуществляя
мониторинг пространственно-временных параметров ионосферы в
широком диапазоне частот, высот и на большой площади.
Другим аспектом интересов исследования электромагнитных
полей диапазона 0,01 Гц—30 МГц является экологический. Уже
отмечался рост напряженности полей техногенного происхождения.
Возникает проблема оценки уровней и спектральною состава
электромагнитного фона естественного происхождения, установления его роли и
информационной значимости в поддержании жизнедеятельности
организмов, а также оценки вклада техногенного электромагнитного
"загрязнения" в окружающую человека среду обитания.
Разработанная концепция электромагнитного мониторинга
основывается на том факте, что, с одной стороны, все системы
человеческого организма реагируют на электромагнитные поля, а с другой,
зарегистрированы переменные поля в организме человека,
обусловленные электрической активностью нейрональных структур. При этом
есть все основания предполагать, что в регистрируемых ритмических
колебаниях потенциалов мозга, кардиоритмической деятельности н
других электрических проявлениях жизнедеятельности находят в той
или иной степени свое отражение и колебания электромагнитного
окружения. Предположение о возможности воздействия
электромагнитных полей на управляющие системы мозга находит свое подтверждение
и в экспериментах по повышенной чувствительности человека и
животных к электромагнитным излучениям в диапазоне частот от долей
герца до 35 Гц, который совпадает с диапазоном частот быстрой
управляющей нейродинамической системы мозга. В этом же диапазоне
частот могут находиться и модулирующие сигналы, либо результат

взаимодействия электромагнитных полей более высокого по частоте
радиодиапазона.
Значительный интерес в обозначенном частотном диапазоне
представляют крайне низкие частоты, лежащие в диапазоне от долей
Гц до 40 Гц. Основной вклад в закономерное существование полей в
этом диапазоне частот дают поля резонатора Земля-ионосфера.
Резонансные частоты этого резонатора, называемые шумановскими, лежат
в диапазоне 5-40 Гц. Частоты электромагнитных колебаний этого
естественного резонатора совпадают с диапазоном частот
электрических колебаний мозга человека.
Приведем некоторые результаты экспериментальных исследований,
полученные с использованием описанного комплекса.
Мониторинг флуктуации уровня электромагнитного фона в
диапазоне частот шумановских резонансов, проведенный в период, когда
грозовая деятельность на территории северного полушария
минимальна или вообще отсутствует, позволил выявить характерные
особенности их поведения. Зарегистрированы квазипериодические вариации
резонансной частоты и амплитуды первого и последующих шумановских
резонансов, период которых составляет около 3-х часов.
Аналогичные по периодам флуктуации известны из сообщений по измерениям
фазы сигналов (10 кГц-20 кГц) в спокойных и возмущенных дневных
условиях, связанных с повышением уровня радиации на участках
радиотрасс, а так же изменением проводимости нижней атмосферы в
период подготовки землетрясений В возмущенных условиях
квазипериодичность сигналов ярче проявляется. Общность периодичности
сигналов естественного фона и параметроп сигналов техногенного
происхождения при их прохождении в среде распространения дают
основания предположить возможность существования их общей природы
появления через крупномасштабные неоднородности слоев D и Е
ионосферы с периодическим изменением электродинамических параметров.
Возможный механизм возникновения наблюдаемых вариаций может быть
связан с вариациями "светимости" Солнца, период которых по диску
лежит в этих же пределах.
Экспериментальные исследования по KB-радиодиапазону
позволили установить два факта. Первый заключается в том, что в
огибающей сигналов регулярно наблюдаемых радиостанций эпизодически
присутствуют очень четкие спектральные составляющие КНЧ-диапазона.
Природа модуляции принятого KB-радиоизлучения многозначна и
остается предметом всестороннего исследования. Одним из
объяснений эффекта таких модуляционных проявлений может быть
суперпозиция (интерференция мод) принимаемых сигналов, излученных разными
радиостанциями, несущие частоты которых отличаются на единицы,

десятки Гц. На рис. 2 приведен яркий пример второго
зарегистрированного явления, когда спектральные составляющие КНЧ-диапазона
наблюдаются одновременно по всем исследовательским каналам. На
одной и той же превалирующей частоте (в примере 32 Гц) с
приблизительно одинаковой шириной спектра появляются сигналы в
КНЧ-радиодиапазоне и в огибающих сигналов НЧ- и KB-радиодиапазонов.
1J
0.5
0.0
1.0
0.5
1J
US
0.0
0.0 fc „ф„ь„чф»ч
Jk
10 20 30
0
ID 20
40
0
10 20 30 40
Рис. 2. Одномоментные спектры сигналов разных радиодиапазонов,
полученные 01.12.94 (LT 12.00): а - канал КНЧ, б - канал KB
(15290 кГц), в - канал НЧ. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси
ординат - относительная амплитуда
Такое одномоментное появление КНЧ-модуляции в различных
диапазонах радиоспектра не позволяет отнести их только за счет
интерференционных замираний. В этом случае КНЧ-модуляция определяется
средой распространения, которая и является общей для всех
указанных диапазонов и лежит в области D- и Е-слоев ионосферы.
Характерные временные масштабы изменения электронной концентрации и
числа соударений значительно превосходят периоды регистрируемой
модуляции, а вариации магнитного поля Земли, определяющие гиро-
частоту электронов, лежат в диапазоне от сотых долей Герца до
килоГсрца. Сделано предположение о том, что явление можно
объяснить вариациями магнитного поля Земли, воздействующими на
диэлектрическую проницаемость среды в области D и Е ионосферы.
Abstract
In the article shown is the structure and given are
technical parameters of radiotechnical complex for reception and
treatment of amplitude-phase-frequency of bench-mark radiostation
signals characteristics, as well as of natural electromagnetic back-

ground signals. Measurement are carried out simultaneously in
ELF, VLF, LF, as well as in MW and SW radioranges. It gives the
possibility to control dynamic processes in lower (£>-, E- layers),
as well as upper {F-region) ionosphere.
Shown are some data received by electromagnetic monitoring
in pointed out radio ranges, also discussed is the tie of results
of observations with processes which influence un to ionosphere
from the side of lower atmosphere and stretching surface, as well
as from the side of magnitosphere and cosmic space.
Список литературы
1. Колесник А.Г., Бородин А.С., Колесник С.А. и др. Проблемы
электромагнитной экологии // Фундаментальные и прикладные
проблемы охраны окружающей среды. Тез. докл. Томск: Изд. ТГУ,
1995. Т. 1. С. 55.
2. Мартыненко СИ., Фукс ИМ., Шубова Р.С. Отклик нижней
ионосферы на изменение проводимости приземной атмосферы //
Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34. С. 121.
3. Фукс ИМ., Шубова Р.С Аномалии СДВ-сигнала как отклик на
процессы в приземной атмосфере // Геомагнетизм н аэрономия. 1994.
Т. 34. С. 130.
4. Молчанов О.Л., Мажаева О.А., Протопопов M.J1. Наблюдение
электромагнитных ОНЧ-излучений сейсмогенного происхождения на ИСЗ
"Интеркосмос-24" // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. С. 128.

А.С.Бородин, С.А.Колесник,
С.В.Побаченко, П.Ю.Потахов
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА
ЕСТЕСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ
ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Наиболее актуальный в настоящее время экологический ракурс
фундаментальных проблем естествознания, связанный с комплексными
исследованиями на стыке таких наук как геофизика, радиофизика и
психофизиология человека, приобретает особое значение в связи с
существенным увеличением роли антропогенных факторов. Особенно
это касается электромагнитного загрязнения окружающей среды [1].
Системный характер стоящих при этом задач исследования
предъявляет высокие требования как к методическому, так и аппаратному
обеспечению таких работ. В этом плане современные вычислительные
средства комплексированные с уникальным измерительным
оборудованием позволяют при соответствующем алгоритмическом обеспечении
реализовать практически любые предпочтительные схемы исследований.
Изменения в динамике параметров функциональных систем
организма человека при флуктуациях основных характеристик гелиогеофи-
зических факторов среды обитания определяются в основном двумя
компонентами: собственным текущим состоянием системы "организм" и
изменением существенных переменных окружающей среды. Эти
компоненты, несмотря на их прагматическую значимость для оценок и
прогноза как персонифицированных так и глобальных экологических
последствий, до настоящего времени не имеют непротиворечивого и
полного определения. Поэтому организация параллельных измерений
существенных переменных, в данном случае системы "человек—среда
обитания", соответствует наиболее полной и непротиворечивой схеме
исследований. При наличии комплекса регистрации и анализа
естественного электромагнитного фона, а также других геофизических
факторов, интерфейс взаимосвязи с потоками данных о динамике
функциональных состояний организма человека реализуется тривиально.
Существенно сложнее корректное выделение взаимосвязей между этими
системами ввиду чрезвычайной сложности такого объекта
исследования как организм человека.
В этом плане акцентация темпоральных характеристик
функционирования организма является достаточно удобным методическим
ограничением, тем более, что данный аспект организации биосистем
имеет фундаментальный характер.

Специфичность временной организации биологических систем и,
в частности, функциональных систем организма человека заключается
в характерной многокомпонентной циклической динамике параметров
систем - эндогенной и экзогенной ритмики [2]. Взаимосвязи между
ними на конкретном временном интервале и определяют текущее
психофизиологическое состояние организма человека, модифицированное
той или иной адаптационно-приспособительной деятельностью.
Выделяя эндо- и экзогенные составляющие, например, циркадианной
ритмики, можно оценить уровень функционирования той или иной системы
при конкретном виде деятельности или влияние контролируемого
фактора внешней среды. Это становится реальным лишь при таком
методическом сопровождении как мониторинг индивидуально специфической
динамики комплекса параметров функциональных систем организма
человека и существенных факторов среды обитания, что само по себе
невозможно без компьютерной базы данных.
Таким образом, определив общие необходимые и достаточные
условия, для решения задач контроля динамики переменных
функциональных систем организма человека, идентификации его
психосоматических состояний и оценки обусловленности их динамики
изменением существенных гелиогсофизических факторов был разработан
аппаратно-программный комплекс.
В полностью развернутом варианте охватываются как
соматический, так и психологический уровни регуляции функциональных
состояний. Могут контролироваться: для сердечно-сосудистой системы
динамика артериального давления, кардиоинтервальных и амплитудных
показателей электрокардиограммы в любом отведении; для системы
дыхания - динамика относительных амплитуд и временных интервалов
фаз респираторного выхода; для системы терморегуляции - динамика
и распределение температур кожной поверхности; для сенсомоторных
систем - время простой реакции и психологического рефрактерного
периода, временная разрешающая способность и рабочие
характеристики идентификации пространственно-временных структур; для нсспе-
цифических компонентов систем регуляции - кожно-гальваническая
реакция и динамика субъективной шкалы времени; для центральной
нервной системы - спектры и временная динамика электрической
активности головного мозга в четырех отведениях; для психического
уровня регуляции - профили личности и значения шкал состояния.
Для определения параметров сенсомоторных систем, в отличие от
остальных, где переменные регистрируются непосредственно, были
разработаны соответствующие имитационные и полунатурные модели
решения человеком сенсомоторных задач и выделены существенные
переменные с обоснованием значимых параметров.

Аппаратная часть комплекса состоит из нестандартизованных
блоков, выполненных в одном конструктиве, за исключением четырех
однотипных каналов электроэнцефалографии, которые представляют из
себя промышленные образцы измерительного усилителя (полоса
частот 0,5 Гц-400 кГц, погрешность 3 дБ, максимальная
чувствительность 10 нВ). Характеристики функционально определенных блоков
изменены в сравнении с традиционными в соответствии с
особенностями решаемых задач. Блок выделения кардиосигнала:
чувствительность - 0,1 мВ, диапазон частот 0,2-50 Гц, усиление - 500...2000,
регулировка - дискретная; блок выделения кожно-гальванической
реакции (по Тарханову): частотный диапазон - 0,05-27 Гц,
коэффициент усиления - 5000, регулировка - плавная; в блоке
формирования сигнала респираторного выхода используется два канала
преобразования температуры выдыхаемого воздуха в напряжение на базе
малоинерционных, высокочувствительных полупроводниковых датчиков;
блок определения температуры кожной поверхности: восемь
идентичных каналов, площадь активной поверхности датчика - 1...2 кв.
мм., диапазон измеряемых температур - 0...40 С", точность 0,05
С°; блоки полимодальной стимуляции и формирования сигнала
моторного выхода человека полностью определены соответствующими
режимами полунатурных моделей и не имеют каких-либо других
существенных признаков; блок ввода аудиосигналов организован через
конденсаторный электретный микрофон МКЭ-271. Выходы и входа блоков
через плату L-153 соединены с магистралью одного из персональных
компьютеров,подключенного к сети.
Наряду с регистрируемыми переменными функциональных систем
организма, с целью более полного описания психосоматического
состояния человека, рсализовзна система фиксации текущих
психологических профилей методами компьютерной диагностики. В составе
пакета психологических тестов используются стандартные опросники
MMPI (СМИЛ), мини-MMPl. тест Г.Айзенка, тест Спилбергера-Ханина,
САН, матричный тест Т.Лнри, тест предпочтения М.Люшера, элементы
репертуарных тестов в связи с развиваемым методом аудиоэкспресс-
диагностики. Набор выбранных тестов позволяет оценивать текущее
психологическое состояние испытуемого по достаточно широкому
спектру основных характеристик, таких как уровень тревожности,
эмоциональная лабильность, ригидность, самочувствие, активность и
т.п., при этом, оценки данных показателей, полученные по разным
тестам, позволяют вносить необходимые экспертные корректировки в
окончательную их интерпретацию с учетом данных о состоянии
физиологических систем организма.
Программные модули управления входными и выходными потоками
данных организованы в библиотеку, что позволяет легко трансфер-

мировать различные схемы исследований, изменять начальные условия,
подключать на стадии обработки данных пакеты прикладных программ.
Основное ограничение - нет режима обработки данных в реальном
масштабе времени, поскольку ресурс по времени полностью
распределен между обслуживанием периферийных устройств и текущим
отражением регистрируемых переменных в сервисном окне видеотерминала.
Все данные мониторинга записываются и хранятся на жестком диске
после предварительной обработки, характерной для каждого процесса,
и в формате, определенном соглашением графической базы данных.
Графическая база данных имеет свое меню, режимы и аккумулирует
все данные мониторинга; как параметров естественного
электромагнитного фона, так и существенных переменных функциональных систем
организма каждого испытуемого из контрольной выборки. База данных
позволяет просматривать исходные данные, вносить коррективы в
структуру записи файлов данных, классифицировать записи об
отдельных процессах, формируя "папки кластеров", организовывать и
записывать новые файлы, распечатывать графические файлы.
Эксплуатационные испытания программно-технического комплекса
мониторинга динамики функциональных систем организма человека,
проведенные при параллельном измерении параметров естественного
электромагнитного фона, уже в процессе его создания н отладки
позволили выявить некоторые новые фундаментальные особенности
взаимосвязи этой динамики с динамикой геофизических процессов
[3]. Есть надежда, что реализация исходных предпосылок позволит
получить не только их подтверждение, но существенно расширить
представление о закономерностях динамики системы "организм-среда".
Abstract
Structure-functional block of computer-engineering complex
for monitoring and for man dynamics state parameters estimating
when habitat electromagnetic background changing as well as other
ecological and geophysical significant factors are described.
Список литературы
1. Колесник AS., Бородин А.С., Колесник С.А., Нагорский
П.М., Шинкевич Б.М., Ярошенко А.А. Проблемы электромагнитной
экологии // Тез. докл. Межд. конф. "Фундаментальные и прикладные
проблемы охраны окружающей среды". Томск, 1995. Т. 1. С. 55-57.

2. Биологические ритмы. В 2-х т. Пер. с англ. под ред.
Ю.Ашоффа. М.: Мир, 1984.
3. Бородин А.С., Колесник С.А., Шинкевич Б.М., Ярошенко Л.Л.
Динамика параметров электрокардиограммы человека и естествеиного
электромагнитного фона КНЧ-диапазона // Тез. докл. Межд. конф.
"Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды".
Томск. 1995. Т.1. С. 20.