Битва в ионосфере

Эффективным средством для осуществления исследований нестационарных локальных явлений и образований в естественной и искусственно модифицированной ионосфере могут быть станции загоризонтной радиолокации (ЗГРЛС), обладающие мощным потенциалом и высокими характеристиками системы приема и обработки сигнала. Это, в частности, было убедительно продемонстрировано при проведении с помощью ЗГРЛС в г. Николаеве исследований ионосферы в естественных условиях, а также при воздействии мощного КВ-радиоизлучения и мощных наземных взрывов.

Авторами и их коллегами в период 1987-90г.г. с использованием указанной ЗГРЛС была выполнена программа исследований модифицированной ионосферы при создании искусственных плазменных образований (ИПО). Метод ИПО широко используется для изучения динамических и плазменных процессов в ионосфере. В основном ИПО применяются в качестве трассеров процессов в ионосфере при наблюдениях оптическими методами. При этом теряется значительная часть информации об особенностях изменений ионосферы, вызванных созданием ИПО, и процессах в ионосфере и в самом ИПО, не наблюдаемых оптическими методами. Зондирование ионосферы и ИПО с помощью ЗГРЛС позволяло получать дополнительную информацию о модификации ионосферы.

Основные задачи программы исследований состояли в следующем:

– анализ спектрально-энергетических характеристик сигналов обратного рассеяния (СОР) и сигналов возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ);

– изучение по измерениям СОР и ВНЗ структуры и динамики ИПО на разных высотах и при различных способах их создания;

– исследования взаимодействия ИПО с ионосферой;

– изучение особенностей взаимодействия мощного КВ-излучения с «сильными» плазменными неоднородностями;

– анализ эффективности диагностики и контроля методами КВ-зондирования искусственной модификации ионосферы.

В программе экспериментов осуществлялись комплексные исследования ИПО, которые проводились с использованием бортовых измерительных средств, обеспечивающих прямые измерения параметров ИПО, а также с привлечением наземных оптических и радиофизических измерительных комплексов. В экспериментах ИПО создавались с помощью пиротехнических генераторов и плазменных ускорителей стационарного и импульсного типа, которые устанавливались на метеорологических ракетах MP-12 и МР-20, запускавшихся с полигона Капустин Яр и с борта научно-исследовательского судна в Норвежском море.

В активных экспериментах, образование ИПО производилось на высотах 130-180 км. При применении пиротехнических генераторов создавались крупномасштабные ИПО — т.н. искусственные ионные облака — с размерами от сотен метров на начальной стадии до десятка километров на заключительной фазе их образования. При использовании стационарных плазменных ускорителей при инжекции плазмы с борта ракеты образовывалось протяженное ИПО вдоль траектории ракеты. В ряде экспериментов для изучения особенностей взаимодействия мощного КВ-радиоизлучения с ИПО на ракете устанавливалось радиоприемное устройство, которое регистрировало излучение станции. В этом случае предусматривалось непрерывное излучение станции на одной из частот.

Особенности характеристик СОР при зондировании искусственных облаков на расстоянии — 1100 км от РЛС в зоне прямой видимости иллюстрируются данными эксперимента с созданием с помощью пиротехнического генератора одного ионного облака, в котором было создано 5 облаков вдоль траектории ракеты. Как следует из этих данных, о возникновении ИПО свидетельствует значительное на 40-50 дб возрастание амплитуды сигнала СОР, причем увеличенные значения СОР регистрируются в течение более 30 минут. Верхнюю временную границу регистрации ИПО определить не удалось из-за преждевременного прекращения зондирования на станции. Амплитудные вариации СОР характеризуются регулярными периодическими замираниями на 10-20 дб, свидетельствующими об изменениях структуры ИПО. Распад облака на множество мелких неоднородностей и его расслоение, обычно хорошо наблюдаемое по данным оптических наблюдений при локации ИПО, на ЗГРЛС проявляется в возникновении квазишумового характера СОР. При образовании в эксперименте нескольких ионных облаков создание каждого облака сопровождается возрастанием амплитуды СОР. Затем происходит уменьшение СОР на ~ 20 дб и этот уровень сигнала поддерживается в течение нескольких десятков минут.

Данные по локации ИПО свидетельствуют также о значительном увеличении СОР при создании ИПО, но и несколько отличающемся характере их изменений по сравнению с экспериментами с искусственными облаками. Важная особенность рассматриваемого эксперимента состоит в том, что наблюдения СОР существенно меньше по времени и СОР исчезает через 10-100 секунд после прекращения инжекции.

Отмеченные особенности СОР регистрировались не только в области «прямой» видимости ИПО, но и на дальностях около 3000 км (Норвежское море) при создании ИПО на нисходящем участке первого скачка КВ-радиоволн. В этом случае амплитуда СОР на 20-30 дб ниже, чем при локации ИПО на полигоне Капустин Яр, однако общий характер изменения сигналов подобен.

Важная информация о взаимодействии ИПО с ионосферой содержится в доплеровских спектрах СОР и ВНЗ. В качестве примера динамики доплеровских спектров СОР получены спектры, зарегистрированные в эксперименте с инжекцией плазменной струи. Ряд характерных особенностей при регистрации доплеровских смещений СОР в этом же эксперименте также наблюдаются. Из приведенных данных можно сделать следующие заключения:

1. После инжекции плазмы в спектрах регистрируется значительное увеличение амплитуды сигнала.

2.При инжекции плазменной струи на высотах h·140 км наблюдаются значительные знакопеременные изменения доплеровской частоты, а также появление «плавающих» максимумов в доплеровских спектрах, указывающих на то, что отражение происходит от фронта плазменной струи, не заторможенной в ионосфере.

3.Вблизи апогея траектории ракеты, когда флуктуации доплеровского смещения сигнала составляют + 10 Гц, отражение радиоволн определяется в основном объемным рассеянием радиоволн на развитой неоднородной структуре ИПО, «вмороженного» в ионосферу.

Доплеровские спектры СОР, зарегистрированные при зондировании искусственных ионных облаков спустя 2-10 секунд после инжекции, характеризуются также значительным увеличением средней амплитуды сигнала и малыми смещениями доплеровской частоты в пределах -Ь 5 Гц. Это указывает на «вмороженность» облаков в ионосферную плазму и перенос их со скоростью дрейфа в ионосфере.

Особенности вариации сигнала локатора, измеряемого на борту ракеты при ее пролете через ИПО, видны, что при «взлете» ракеты в диаграмму направленности. Происходит возрастание сигнала РАС, сопровождаемое его модуляцией. При образовании ИПО регистрируется резкое общее увеличение и возникновение значительных колебаний амплитуды сигнала. Результаты моделирования отмеченного эффекта получены A.M. Насыровым и Н.А. Осиповым. Качественное согласие экспериментальных данных и модельных оценок указывает на сильную дифракцию КВ-радиоволн на ИПО и значительное рассеяние «вперед» радиоволн на неоднородностях ИПО.

Взаимодействие мощных КВ-радиоволн с ионосферой при наклонном зондировании ЗГРЛС приводит к ряду нелинейных эффектов и, в частности, к увеличению МПЧ. Возможным проявлением нелинейных процессов при воздействии мощного излучения ЗГРЛС на ИПО в экспериментах служило заметное увеличение времени существования ИПО, зарегистрированное различными КВ-средствами, по сравнению с теми случаями, когда ИПО не облучалось ЗГРЛС.

Обобщая основные результаты программы исследований ИПО в ионосфере с помощью ЗГРЛС, можно сделать следующие основные выводы: