ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 260-266
УДК 551.510.535
УГЛЫ ПРИХОДА МЕЗОСФЕРНЫХ РАДИОЭХО В КВ-ДИАПАЗОНЕ
© 2007 г. А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, В. И. Абрамов, В. В. Бычков, Г. П. Комраков
Научно-исследовательский радиофизический институт, Н. Новгород e-mail: tolk@nirfi.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 13.02.2006 г. После доработки 16.06.2006 г.
Получено и исследовано распределение угла прихода мезосферных радиоэхо. Особое внимание уделено области высот в окрестности мезопаузы. Показано, что в этой области распределение углов прихода имеет максимум вблизи направления в зенит и является анизотропным. Вместе с тем средняя интенсивность радиоотражений существенно превышает уровень фона для любых углов прихода.
PACS: 94.20.Bb
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиозондирование мезосферы с использованием КВ-радара стенда СУРА показывает практически постоянное наличие радиоэхо от области мезопаузы (высоты ~85 км) в этом диапазоне частот [Karashtin et 1997; Караштин и др., 1998а, б; Беликович и др., 2003]. Для наблюдаемых мезосферных КВ-радиоотражений характерна слоистая по высоте структура, причем отражения от области мезопаузы носят, как правило, турбулентный характер [Karashtin et al., 1997]. В летний период наблюдаются также и спорадические слои повышенной интенсивности (либо спорадическое усиление уже существующих слоев), соответствующие, вероятно, явлению Мезосферного Летнего Эха (МЛЭ), наблюдавшемуся с использованием УКВ-радара [Reid е; э1., 1989].
Одновременное радиозондирование мезосферы в СВ- и КВ-диапазонах, проведенное на стенде СУРА с одинаковым временным и пространственным разрешением [Беликович и др., 2003], показало, что в переходный период лето-осень, когда спорадические КВ-радиоэхо повышенной интенсивности, соответствующие явлению МЛЭ, не наблюдаются [Караштин и др., 19986], интенсивность КВ-радиоэха от области мезопаузы определяется как уровнем атмосферной турбулентности, так и плотностью электронной компоненты. Было показано, что в среднем, до высоты около 85 км интенсивность радиоэха практически повторяет профиль электронной концентрации, а ее временные вариации скорее всего соответствуют вариациям интенсивности атмосферной турбулентности. Уменьшение интенсивности радиоэха на больших высотах обусловлено увеличением степени замагниченности плазмы, а также может быть связано с уменьшением уровня турбулентности на этих высотах. Результаты работы [Беликович
и др., 2003] в целом согласуются с теоретическими представлениями о возбуждении турбулентности ионизованной компоненты турбулентностью нейтральной атмосферы [Gurevich et al., 1997].
Для объяснения явления МЛЭ, являющегося среднеширотным аналогом более распространенного и широко изученного с использованием УКВ радаров явления Полярного Мезосферного Летнего Эхо (PMSE, см., например, обзоры [Cho and Kelley, 1993; Cho and Rottger, 1997]), привлекаются различные механизмы, связанные преимущественно с образованием многозарядных аэрозолей в области минимума температуры в летний период [Cho et al., 1992; Hagfors, 1992; Trakht-engerts and Demekhov, 1995]. Стенд СУРА расположен достаточно близко к высоким широтам (~56° N) для довольно частого наблюдения МЛЭ.
В работе [Беликович и др., 2003] были впервые также приведены данные измерений углов прихода мезосферных КВ-радиоотражений, однако только для меридиональной плоскости, распределение углов прихода в которой для области мезопаузы оказалось близко к однородному, свидетельствуя о турбулентном характере радиоотражений и большой протяженности области турбулентности в горизонтальном направлении. С другой стороны, более низкие слои характеризовались довольно узкими, часто смещенными от вертикали, распределениями радиоэха по углам прихода.
Настоящая работа посвящена детальному исследованию углов прихода мезосферных радиоэхо с использованием специально модернизированного для этой цели КВ-радара стенда СУРА. Приведено описание модернизированного радара и его основные параметры, обсуждение полученных данных, а также сформулированы основные выводы работы.
2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Радиозондирование мезосферы проводилось с использованием КВ-радара стенда СУРА, подробно описанного в работе [Караштин и др., 1999], антенная система которого была модернизирована для обеспечения возможности измерения углов прихода радиосигналов методом трехточечного приема. Антенная система ППАДД (Приемо-передающая антенна декаметрового диапазона) стенда СУРА предназначена для излучения и приема КВ-радиосигналов в диапазоне частот 4.5-9 МГц. Она представляет собой квадратную решетку 12 х 12 скрещенных диполей размерами 300 х 300 м, разделенную на три идентичных независимых секции 4 х 12 скрещенных диполей с электрическими центрами, разнесенными в направлении магнитного меридиана (около 9° к востоку от направления на север) на расстояние 100 м. Секционная структура антенной системы позволяет использовать ее для целей радиозондирования при излучении зондирующего сигнала одной из секций и использовании другой секции (или двух других) для приема локационного сигнала. В случае раздельного приема на две секции антенны появляется возможность определения угла прихода локационного сигнала в плоскости магнитного меридиана.
Для обеспечения возможности определения углов прихода сигнала в плоскости, ортогональной магнитному меридиану (направление приблизительно восток-запад), каждая секция антенны была разделена в этом направлении на две половины путем установки соответствующих нагрузок и перемычек в фидерной системе каждого ряда диполей, а также введения дополнительной фазирующей и суммирующей системы для съема сигнала с западной половины третьей секции. Схема трехточечного приема реализована с использованием двух половин третьей секции (направление восток-запад, расстояние между фазовыми центрами 150 м) и одной (восточной) половины второй секции (направление север-юг, расстояние между фазовыми центрами 100 м). Для излучения зондирующего сигнала использовалась восточная половина первой секции антенны. Первая и вторая секции антенны также были разделены в направлении восток-запад (западные части не использовались) для обеспечения идентичности всех приемных и передающей антенн. Запитка восточных половин секций антенны производится через штатную фидерную систему антенны.
В качестве передатчика радара был использован импульсный передатчик с пиковой мощностью около 50 кВт. Прием осуществлялся на два приемника, один из которых был постоянно подключен к восточной части третьей секции антенной системы стенда ("центральная" приемная ан-
тенна), а другой переключался между западной частью третьей секции ("западная" приемная антенна) и восточной частью второй секции ("северная" приемная антенна) через каждый зондирующий импульс. Радиозондирование мезосферы проводилось в диапазоне частот 8.85-8.95 МГц, рабочая частота выбиралась исходя из помеховой обстановки. Для зондирования использовался режим излучения 20 мкс импульсов, что соответствует пространственному разрешению 3 км, с периодом повторения 26 мс. Выбранная длительность зондирующего импульса соответствует полосе частот приема 50 кГц. Согласно проведенным наблюдениям за помеховой обстановкой в диапазоне зондирования такая полоса, как правило, является максимально возможной полосой, в которой уровень помех от работающих радиостанций является приемлемым для целей зондирования. Выбор периода повторения зондирующих импульсов обусловлен наличием на меньших временах довольно сильных паразитных радиоотражений, связанных с рассеянием в ^-слое ионосферы и сигналами возвратно-наклонного зондирования, которые могут попадать в рабочий интервал времен задержек, а также особенностями системы управления радаром. Время когерентного усреднения составляло 208 мс (8 импульсов для "центральной" антенны и по 4 импульса для "западной" и "северной" антенн).
В соответствии с пространственным разносом электрических центров антенн поле наблюдения по углам прихода в рабочем диапазоне частот составляло ~±10° от вертикали в направлении магнитного меридиана и ~±6.5° от вертикали в ортогональном направлении. Точность определения углов прихода определяется точностью измерения разности фаз локационного сигнала, принятого на разные антенны, и согласно калибровочным измерениям была не хуже ±0.2°.
Первичные данные представляют собой 10-разрядную цифровую запись трех приемных каналов в интервале дальностей 53-102 км. Частота дискретизации данных составляет 500 кГц, что определяется техническими особенностями используемой аппаратуры. Данные содержат также калибровочные сигналы для определения амплитуды и фазы радиоотражений.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Экспериментальные исследования углов прихода мезосферных радиоэхо проводились осенью (сентябрь-октябрь) 2003 г. ив летний период (июнь-сентябрь) 2004 г. Несмотря на снижение потенциала радара, связанное с уменьшением эффективных площадей как передающей, так и приемной антенн, по сравнению с проведенными ранее экспериментами, мезосферные отражения были уверенно зарегистрированы в оба периода
Дальность, км
_I_и_|_1__1_|1_и_I____I_
12 : 00 18 : 00
Время, чч : мм
Рис. 1. Типичное высотно-временное поведение мезосферных радиоотражений в КВ-диапазоне. Вертикальные белые полосы соответствуют паузам в работе радара, необходимым для записи данных, вертикальные черные - помехам от работающих радиостанций. Приведены данные, полученные 23.07.2004 г.
Дальность, км
_Ы_АН_!_■ - *_Н_■ " _I__^_I_,_I
17 : 57 : 00 17 : 58 : 00
Время, чч : мм
Рис. 2. Развернутая во времени часть высотно-временного поведения радиоэхо, показанного на рис. 1.
наблюдений. В осенний период радиоэхо наблюдаются не постоянно и имеют сравнительно малую интенсивность, в то время, как летний период характеризуется более высокой средней интенсивностью радиоэха. В исследуемом интервале высот радиоэхо имеют выраженную слоистую структуру. Наиболее интенсивные рассеивающие слои наблюдаются в области летней мезопаузы на высотах 83-87 км практически постоянно. В летний период на этих высотах наблюдаются также спорадические сл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.