автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и обработка информации по распространению декаметровых радиоволн в Арктике

На правах рукописи

// /

Щ

Калишин Алексей Сергеевич

АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ПО РАСПРОСТРАНЕНИЮ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В АРКТИКЕ

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 ИАР 20:1

Санкт-Петербург 2011

4841548

Работа выполнена на кафедре компьютерной математики и программирования Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Благовещенский Донат Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Нагорский Петр Михайлович

кандидат технических наук, доцент Корнеев Юрий Алексеевич

Ведущая организация: Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского

Защита состоится гаььриЯ 2011 года в часов в аудитории 53-01 на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан:« V » ^аита 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Л.А. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена малоизученным явлениям и закономерностям процессов при распространении коротких радиоволн в высоких широтах во время естественных и искусственных возмущений. К числу этих явлений и процессов относятся: распространение вне дуги большого круга, отражение от градиентов ионизации, рассеяние на крупно- и мелкомасштабных неоднородностях ионосферы, авроральное поглощение, смена механизмов распространения, эффекты при нагреве ионосферы. Преимущество и актуальность настоящего исследования состоит в комплексности наблюдений за счет одновременного использования современных радиофизических средств: вертикального и наклонного зондирования ионосферы, доплеровского метода, радаров CUTLASS и БИЗОН, нагревных стендов, магнито-вариационных станций, риометров, а также в использовании современных методов обработки информации. Получены новые результаты, которые могут найти применение при повышении надежности технических систем KB радиосвязи, радиолокации, навигации и т. п.

Актуальность работы. Вопросы распространения KB в высоких широтах за последнее время получили новое, качественное развитие. Это обстоятельство, прежде всего, связано с усовершенствованием методов обработки сигналов с помощью современной быстродействующей компьютерной техники. Так, скорость передачи данных с 1995 по 2005 год в KB диапазоне возросла в 100 раз. Главный недостаток KB радиосистем - многолучевость сигнала, приводящая к явлению замираний, теперь практически может быть устранена. С другой стороны, известны преимущества KB систем - передача сигналов малыми мощностями на очень большие расстояния, использование простых малогабаритных антенн, а также компактной и дешевой аппаратуры, что очень важно для высоких широт. Доставка сюда громоздкого оборудования, да еще требующего больших энергетических затрат, разумеется, не всегда оправдана. Альтернативой KB систем могли бы служить спутниковые радиосистсмы, однако они до сих пор дороги. Поэтому исследования вопросов распространения KB в высоких широтах представляются актуальными и важными не только с научной точки зрения, но и с практической -для обоснованной организации KB радиосвязи, для проблем навигации и радиолокации.

Известно, что в высоких широтах ионосфера весьма неоднородна, поскольку она, прежде всего, состоит из различных крупномасштабных структур со своими специфическими особенностями поведения (главный ионосферный провал, овал полярных сияний, полярная шапка и т.п.). Кроме того, высокоширотная ионосфера подвержена воздействию высыпающихся потоков частиц во время возмущений, электрических полей, ветров и т.д. Динамика ионосферы приводит к нарушению ее регулярной структуры и образованию мелкомасштабных неоднородностей и градиентов электронной концентрации. Неоднородности и градиенты при распространении радиоволн иногда приводят к изменению траектории волны в пространстве - вместо траектории вдоль дуги большого круга образуется новый путь сигнала (боковой), например, с отражением от градиентов ионизации или за счет рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Подобные боковые сигналы являются существенной помехой при приеме сигналов в системах радиосвязи, навигации и радиолокации. Поэтому их изучению необходимо уделять должное

внимание. Ранее предпринимались попытки исследования природы образования нестандартных мод распространения и условий их возникновения. Однако для высоких широт полученных результатов, особенно для различной геомагнитной возмущенности, явно недостаточно.

Все вышесказанное относится к естественным процессам в ионосфере. Что касается искусственного воздействия на ионосферу, в частности, мощного КВ радиоизлучения от нагревных стендов, то оно приводит к возникновению искусственных ионосферных неоднородностей, поглощению радиоволн, радиоизлучению ионосферы, ее свечению, изменению проводимости и т. п. Разнообразие перечисленных недостаточно изученных явлений требует тщательного их анализа, особенно в высоких широтах. При этом важное значение имеет диагностика и контроль характера излучения различных КВ нагревных стендов на значительном расстоянии от места нагрева, что можно осуществить методами распространения радиоволн. Проблема представляет не только чисто научный интерес с точки зрения изучения специфики распространения КВ в высоких широтах при различных геофизических условиях, но также и практический интерес, связанный с прикладными задачами. Так, осуществление дистанционного контроля за излучением различных КВ нагревных устройств дает возможность понять, какие искусственные ионосферные явления могут быть получены при конкретном режиме излучения.

Цель работы заключается в том, чтобы исследовать на основе современных методов обработки информации малоизученные явления и специфические процессы в ионосфере высоких широт во время магнитосферных возмущений и искусственных воздействий на нее для научно-обоснованного проектирования и повышения эффективности эксплуатации КВ радиосистем в Арктике.

Основные задачи:

1. Выявить системные закономерности и физические механизмы вариаций критических частот ионосферы во время магнитосферных суббурь. Изучить динамику и структуру высокоширотной ионосферы по данным КВ радаров для магнитной бури.

2. Дать общую характеристику аномальных видов распространения КВ на радиотрассах (вне дуги большого круга) в том числе и во время возмущений. Провести моделирование данных видов распространения, основываясь на компьютерных методах обработки информации из экспериментальных данных.

3. Изучить особенности распространения КВ на трассах с помощью аппаратуры, позволяющей измерять отношение сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и углы места совместно с аппаратурой наклонного зондирования ионосферы (НЗИ).

4. Исследовать новые эффекты в ионосфере и распространении КВ во время искусственного возмущения (нагрева) ионосферы.

Методы исследования:

В процессе работы над диссертацией основным источником данных явились экспериментальные наблюдения как на отечественных радиотрассах и аппаратуре, так и зарубежных коллег. Это вертикальное зондирование ионосферы, наклонное зондирование (трассы), магнитометры, риометры, радары и ресурсы Интернета. При интерпретации результатов работы использовались методы системного

анализа, методы компьютерной обработки экспериментальных материалов и методы численного моделирования траекторий радиоволн на трассах (ray tracing).

Положения, выноснмыс на защиту

1. Результаты исследований системных закономерностей процессов в высокоширотной ионосфере (как канале распространения KB), которые происходят за периоды магнитосферных возмущений различной длительности и интенсивности (бури, суббури).

2. Результаты анализа особенностей образования и существования аномальных, т. е. не стандартных, видов распространения радиоволн в высоких широтах за периоды слабой и существенной магнитной активности.

3. Результаты комплексных радиофизических исследований условий прохождения радиоволн на трассах различной протяженности с привязкой этих условий к геофизической обстановке в околоземном пространстве.

4. Системный анализ и научное обоснование новых эффектов в ионосфере и ионосферном распространении KB за счет искусственного воздействия на верхнюю атмосферу мощного нагрева с поверхности Земли.

Научная новизна

1. Определены малоизвестные механизмы образования положительных вариаций критических частот слоя F2 ионосферы продолжительностью 6-8 ч до начала развития взрывной фазы изолированной суббури. Они связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли. Показано, что механизмы изменения электронной концентрации в слое F2 ионосферы во время всех трех фаз суббурь в средних и высоких широтах различны.

2. Обнаружен эффект появления боковых сигналов на KB радиотрассах в дневное время во время суббурь, который является достаточно новым, малоизученным. По статистике боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы, тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации, встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Моделирование боковых сигналов посредством метода ray tracing показало удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных ионограммы НЗИ.

3. С помощью аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и угол места приходящих радиоволн на трассах, определены новые эффекты в поведении указанных параметров во время начала суббурь и магнитных бурь. Наклонное зондирование ионосферы позволило обнаружить закономерности перераспределения мод распространения на радиотрассе при воздействии на нее главного провала ионизации и магнитосферных суббурь.

4. Выявлены особенности новых эффектов в высокоширотной ионосфере и распространении KB на трассах, таких как образование мелкомасштабных неоднородностей, ракурсное рассеяние радиоволн и др. во время искусственного нагрева ионосферы.

Научная и практическая ценность

1. Физически обоснованный эффект роста критической частоты слоя F2 ионосферы за несколько часов до начала магнитосферных возмущений можно рассматривать как реальное средство краткосрочного (за 2-3 часа) прогноза развития возмущения, что чрезвычайно актуально в вопросах создания методик прогнозирования состояния околоземного космического пространства.

2. Исследование структуры ионосферы с помощью метода наклонного обратного рассеяния во время магнитных возмущений типа бурь показало, что данный метод является весьма перспективным с точки зрения условий распространения радиоволн, так как фактически он в реальном времени дает картину состояния ионосферы на первой половине пути возможной трассы и в ее точке отражения.

3. Установленный характер возникновения боковых сигналов (вне дуги большого круга) на высокоширотных трассах во время возмущений позволяет в определенной мере оценить ожидаемый урон в работе радиолокационных, связных и навигационных KB радиосистем в высоких широтах, поскольку именно данный аномальный тип распространения является основной причиной сбоев в работе KB систем, спроектированных на принципах использования стандартных мод распространения.

4. На основе анализа данных аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровского сдвига частоты и угла места, а также аппаратуры наклонного зондирования ионосферы на радиотрассах во время возмущений определены условия появления или изменения характеристик сигналов, что важно для эффективной работы всех высокоширотных KB радиосистем.

5. Установлено, что эффекты нагрева ионосферы могут быть использованы для определения характера и режима работы нагревных средств с помощью удаленных приемников, фиксирующих распространяющиеся радиосигналы как от передатчиков нагревных стендов, так и от области нагретой ионосферы.

6. Полученные научные результаты диссертационной работы используются при планировании и проведении экспериментов по модификации ионосферы мощным KB радиоизлучением, а также контроле за излучением KB нагревных комплексов в ГУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт». Разработанные многоканальный KB доплеровский комплекс и сканирующий KB комплекс, установленные на обсерватории ГУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» «Горьковская», используются для дистанционного контроля радиоизлучения нагревных комплексов и регистрации ракурсно-рассеяных сигналов как от естественных, так и искусственных ионосферных неоднородностях. Также сканирующий KB комплекс применяется для регистрации искусственного радиоизлучения ионосферы, вызванного воздействием нагревного стенда SPEAR.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов основывается на следующем. 1) Количество экспериментальных данных по ионосфере и распространению радиоволн достаточно для того, чтобы достоверно формулировать результаты и делать выводы. 2) Объединение как можно большего числа видов наблюдений, таких как вертикальное и наклонное зондирование, радары, магнитометры, риометры и др. с целью получения достоверной информации об ионосфере и условиях распространения на трассах. 3)

Подтверждение результатов модельных расчетов параметров распространения методом ray tracing соответствующими экспериментальными данными в необходимом объеме. 4) Неоднократная проверка полученных в работе результатов и выводов совместно с их физической интерпретацией по материалам, достигнутым ранее и не вошедшим в состав диссертации.

Взаимоотношения с соавторами. Все представленные в диссертации основные результаты и выводы, особенно новые, которые опубликованы в 15 научных работах, являются оригинальными и получены автором лично. Научный руководитель помогал сформулировать общий план исследований и отдельные его детали как следствие совместных обсуждений и анализа данных. Иностранные соавторы помогали в основном в получении исходных данных и при подготовке публикаций за рубежом. Сам автор лично участвовал в разработке аппаратуры и ее использовании для исследований эффектов в ионосфере и распространении радиоволн во время искусственного нагрева ионосферы. Также автором проведена компьютерная обработка информации, анализ полученных материалов с позиций научных достижений и физическая интерпретация экспериментальных фактов.

Апробация работы. Результаты, сформулированные в диссертации, докладывались на Научных сессиях ГУАП, посвященных Дню космонавтики (Санкт-Петербург, 2009, 2010), Международном семинаре «Сеть высокочастотных радаров СуперДАРН как мощный инструмент космических исследований: принципы, методы, результаты» (Иркутск, 2008), 7-ой и 8-ой Международных конференциях "Problems of geocosmos" (Санкт-Петербург, 2008, 2010), 37-ой Научной ассамблее COSPAR (Монреаль, 2008), International Conference on Electromagnetics on Advanced Applications (Sydney, Australia, 2010), Научных семинарах ААНИИ (2009, 2010), Конференции молодых специалистов ГУ НПО «Тайфун» (Обнинск 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ:

- 7 статей в реферируемых журналах: «Известия вузов. Радиофизика» - 1, «Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 2, "Annales Geophysicae" EGU - 1, "Advances in Space Research" COSPAR - 2, "Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics" EGU - 1.

- доклады на международных конференциях - 5, на других - 4.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 2-х приложений. Основное содержание диссертации изложено на 151 странице и содержит 44 рисунка и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирована актуальность темы и представлена цель работы, определена научная новизна, а также научная и практическая ценность полученных результатов, их обоснованность и достоверность.

В первой главе показывается, что высокоширотная ионосфера, рассматриваемая как канал распространения KB во время возмущений типа

магнитосферных суббурь и бурь, является крайне динамической средой. Ее параметры и структура существенно видоизменяются. В главе установлены определенные физические механизмы и закономерности этих изменений.

В разделе 1.1. по данным станций вертикального зондирования ионосферы Европы и Северной Америки исследуются специфические вариации критической частоты слоя F2 ионосферы во время магнитосферных суббурь. Относительное отклонение этого параметра от спокойного уровня

ДfoF2 = [(foF2BOjM - foF2cnoK)/ foF2cnoit] • 100%,

где в качестве спокойного уровня используется 10-дневное медианное значение foF2. Наибольшее внимание уделено положительным пикам AfoF2 продолжительностью 6-8 ч до момента То - начала развития взрывной фазы суббури. Рассмотрены возможные физические механизмы образования указанных пиков. Данные механизмы связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли, что приводит к их упреждающему появлению в областях каспов и входного слоя магнитосферы за ~ 6-8 ч до начала развития активной фазы суббури. Момент начала взаимодействия ускоренных частиц солнечного ветра с магнитосферой Земли и будет началом роста AfoF2. На рисунке 1 представлены вариации двух параметров: Bz-

Часы

Рисунок 1. Вариации значений Вг (а) и УСв (б), полученных методом наложения эпох (данные ОММШеЬ, 20 изолированных суббурь). То - момент начала взрывной фазы суббури, Те - момент ее окончания.

Из рисунка 1а можно видеть, что вариации Вг-компоненты имеют «классический» характер. Из рисунка 16 следует, что максимум УС1) имеет место при I = То. В данный момент происходит контакт основного потока плазмы солнечного ветра с магннгосферой Земли и имеет место начало активной фазы суббури. При I = -7 ч (штриховая) можно видеть более слабый максимум в значениях УСв, обусловленный, очевидно, воздействием предударного потока (области форшока) на магнитосферу Земли. Что касается ДГоР2, то их изменения различны для высоких (Ф[, > 50°) и средних широт (Ф[_ < 50°), рисунок 2. Важно подчеркнуть, что на рисунке 2 представлен только характер этих вариаций, но не их конкретные значения.

То Те

Высокие широты^ > 60е)

Рисунок 2. Схематическое изображение вариаций AfoF2 для отрицательных

суббурь.

Положительные пики AfoF2 могут быть использованы как средство при краткосрочном прогнозировании начала возмущений ионосферы и космической погоды в целом.

В разделе 1.2 приведен анализ особенностей вариаций и структуры ионосферы над территорией северной Европы, рисунок 3, во время известной магнитосферной бури 10 января 1997 г. средствами наклонного обратного рассеяния (НОР). Аппаратура НОР, установленная вблизи С. Петербурга, Горьковская (ААНИИ), представляет собой малый радар БИЗОН, данные которого сопоставлялись с данными радара CUTLASS, а также с геофизическими данными высокоширотных обсерваторий Швеции, Финляндии и России. Подробно изучена локальная суббуря в интервале 14.51 - 16.55UT, получены 52 ионограммы НОР. Идентифицированы типы отражений от полярной стенки главного ионосферного провала и узкого провала ионизации, рисунок 3. Картина обратно рассеянных сигналов от Е и F областей ионосферы сложна и включает следующие типы НОР -

диффузные, дискретные, плоские, с групповым запаздыванием и от полярных сияний. Данный эксперимент показал возможность интерпретации сложных ионосферных явлений и структур на монограммах НОР аппаратуры БИЗОН во время магнитных бурь или суббурь. Подобные исследования вносят несомненный вклад в дело изучения солнечно-земной физики и особенно проблем, сформулированных в рамках международных программ CEDAR, ISTP, GEM,

Рисунок 3. Схематическое изображение крупномасштабных ионосферных структур, "освещаемых" аппаратурой НОР (БИЗОН), на 15UT для 10 января

1997 г. Обозначения на рисунке: ГДС - граница диффузных сияний, ГДВ -граница диффузных высыпаний, ПСП - полярная стенка провала, УПИ - узкий

провал ионизации.

В разделе 1.3 сформулированы основные выводы по главе 1.

Во второй главе исследована природа и статистика появлений аномальных (нестандартных) траекторий распространения KB в высоких широтах. Поскольку в Арктике основным фактором геофизического воздействия являются магиитосферные возмущения, то основное внимание уделено характеру их влияния на аномальное распространение. Произведено моделирование боковых траекторий методом ray tracing.

В разделе 2.1 рассмотрены механизмы образования боковых сигналов на высокоширотных KB радиотрассах во время магнитосферных суббурь, возникающих в дневное время суток. В эксперименте были использованы две

трассы наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) Мурманск - Санкт-Петербург и Лонгиербьен (Шпицберген) - Санкт-Петербург. Метод НЗИ дает возможность определить моды распространения, значения МПЧ, задержки сигналов и т.д. Две дополнительные радиотрассы Пори (Финляндия) - Санкт-Петербург и Лондон -Санкт-Петербург предназначались для доплеровских измерений. На них проводился анализ спектров сигналов, рассеянных или отраженных от областей с неоднородностями, возникающими во время суббурь. Также привлекались данные радара CUTLASS, системы магнитометров IMAGE, финской цепочки риометров, данные ионозондов Тромсе и Шпицбергена. Главные полученные результаты состоят в следующем: 1) боковые сигналы на трассах, как правило, имеют место, если средние точки трасс находятся вблизи области неоднородностей, которая в течение суббури быстро перемещается от высоких широт к низким, что можно видеть, например, по данным радара CUTLASS на рисунке 4, указанный эффект появления боковых сигналов в дневное время является достаточно новым, малоизученным; 2) образование плотных, вытянутых вдоль магнитного поля, неоднородностей во время суббури приводит к уменьшению F2MOF на радиотрассах; 3) согласно доплеровским измерениям, движение мелкомасштабных неоднородностей внутри рассеивающего объема изменяется от южного направления к северному.

SUPERDARN PARAMETER PLOT ?s о* геоз~

М8пка«а1гя;; pwrj

Beam 15 oooi !293) to оош <299)

801 ' ' • I 1 ' ' < 1 ' ' i ' ' I '-' Г ' ' ' I

U7

Рисунок 4. Данные радара CUTLASS (мощность рассеянного сигнала) для

25.10.2003 г.

В разделе 2.2 исследуются характеристики боковых (вне дуги большого круга) сигналов на трассе наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) Мурманск -Санкт-Петербург (Д = 1050 км). Трасса пересекает главный провал ионизации поперек и подвержена влиянию его полярной стенки и границы диффузных высыпаний, где весьма вероятны вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности ионосферы и градиенты ионизации. Анализ данных НЗИ проводился для спокойных, умеренно возмущенных и значительно возмущенных условий и в различное время суток. Получены следующие главные результаты. Боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы. Эти ночные боковые появляются всегда как в спокойных, так и в возмущенных условиях. Тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации, встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Наиболее частое появление боковых сигналов от градиентов ионизации с интенсивными отражениями наблюдается при средней возмущённое™, особенно в ночные часы. Примеры ионограмм представлены на рисунке 5. Они подразделяются на 5 основных типов.

И

Й

£ »

К о.

а

сС сч

СО

г»

"яг

я

|,||У1

1 г

io.ia.2aos

21:48 А = 0,1 дБ

¡1 »

......;

23.10.2003

20:48 А = 0,25 дБ

» I '

1«

28.10.2003

20:46 А=глдв

.1«

25.10.2003

13:48 А = 0,6дБ

н

¡: >

. I. '

.11,1..

«и.

I

19.102003 | (3:48 4 А = 0,15 дБ

Г, МГц

Рисунок 5. Экспериментальные ионограммы наклонного зондирования ионосферы на трассе Мурманск - Санкт-Петербург для различных дней октября 2003 г.

- «Спокойный» период (крайне слабое возмущение). Боковой сигнал на рисунке 5а в промежутке частот ДГ = 2 - 9 МГц имеет выраженную диффузную структуру.

- «Слабовозмущенный» период. Боковой сигнал на рисунке 5Ь сосредоточен в узкой области частот Af = 7 - 8 МГц и практически не меняется по высоте.

- Интенсивное возмущение за период мощной бури. Боковой сигнал с ДГ = 5,2 -5,7 МГц на рисунке 5с слаб по интенсивности из-за повышенного поглощения.

- Боковые сигналы в начале бури/суббури. Боковой сигнал на рисунке 5d с Af = 7

- 11 МГц характеризуется отражением с групповым запаздыванием, что свидетельствует о высокой плотности плазмы в отражающей области (<t>L= 60,5°) и ее большом объеме, см. рисунок 4.

- Случайные события. Скорее всего они обусловлены динамикой высокоширотной ионосферы. Из рисунка 5е можно видеть F-рассеяние в диапазоне частот Af = 14,5 - 14,9 МГц днем для спокойных условий.

Моделирование боковых сигналов посредством метода ray tracing показало, что синтезированные (расчетные) ионограммы НЗИ в основном совпадают с полученными экспериментально. Данные на рисунке 6 наглядно показывают это совпадение для рисунков 5d и 6а, а также 5е и 6Ь.

sf

о я

яТ

X

CD 2 о> о. о

3 &

а>

S

С>

1F2o reVtmih iti IK

JUjgJ HjuuuuaHts^iEs

Sf

n n со о

£

10

IS

10

IS

a)

2.0

tip)

JP* 'a 1Л

-ЯШ »till! '"Iwl

b)

20

IE"» j !

1,11. !

IUUU- - m 1ПИ1Г1 nil IHHtlH !

О

s io ii го

Частота зондирования, МГц

Рисунок 6. Синтезированные ионограммы наклонного зондирования ионосферы на трассе Мурманск - Санкт-Петербург: панель (а) для 25.10.2003,1= 13:48 иТ; панель (Ь) для 10.10.2003, / = 13:48 ИТ; панель (с) для 27.10.2003, / =

00:48 ИТ.

В разделе 2.3 сформулированы основные выводы по главе 2.

В третьей главе представлены результаты радиофизических исследований на КВ трассах с одновременным использованием различной диагностической аппаратуры. В первую очередь учитывалось влияние на распространение магнитных возмущений. Полученные выводы, несомненно, полезны в деле организации КВ связи и при работе подобных видов радиосистем в высоких широтах.

В разделе 3.1 экспериментально исследовано поведение параметров КВ сигналов во время магнитных бурь и суббурь одновременно на авроральной трассе Кируна- Киркенес, полярной - Кируна- Лонгиербьен и субавроральной -Мурманск - Санкт-Петербург. Первые две трассы оборудованы аппаратурой, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровского сдвига частоты и угла места, пример на рисунке 7.

Кируна - Киркенес

<гч о

<Г1

1й> -■

, ....... 4% свгнялшуи (дБ)

т0; Те Донлеровский

. ! .....................»¿ЛмЛ-Л-... сдвиг (Г«)

1' • ■' Ж"" - угол места (гряд)

<ч

© о

0) 5 К?

время, ит

щ........! ■ ■■•- <............ сигиалшуя (дБ)

щ »1 ... 1 "4 •• Донлеровский сдвиг (Га)

$¡¡1...... ■•- -• — ■ ..... угол места (град)

■Й! ■ .....""" 7 - • сиги «шум (дВ)

Донлеровский сдвиг (Гц)

: V . угол место (г рад)

Рисунок 7. Суточные вариации значений сигнал/шум, доплеровского сдвига и угла места на радиотрассе Кируна - Киркенес для 25, 26 и 28 октября 2003 г. Рабочая частота сигнала на трассе {- 11,2 МГц. То - начало развития возмущения, Те - конец возмущения.

На трассе Мурманск - Санкт-Петербург использовался метод наклонного зондирования ионосферы (НЗИ). За выбранный период исследований имели место две заметные суббури, умеренная буря и интенсивная буря, рисунок 8. Выявлены некоторые новые закономерности. На трассах Кируна - Киркенес, см. рисунок 7, и Кируна - Лонгисрбьсн при отражении сигнала от ¥2 - слоя в окрестности момента начала суббури или бури То наблюдался рост отношения сигнал/шум (связан с переходом от ¥2 отражений сигнала к Ее отражениям), рост угла места (связан с ростом высоты слоя ¥2 ионосферы и уменьшением критической частоты) и рост доплеровского сдвига (связан с вариациями ионизации и появлением ионосферных неоднородностей во время суббури). На трассе Мурманск - Санкт-Петербург возможно контролировать положительный пик Р2МНЧ (виден с 10:00 до 15:00 17Г на рисунке 8 для 28.10), аналог пика ДйР2 на рисунке 2. Полученные результаты могут быть полезны для вопросов радиолокации, КВ связи и навигации.

Мурманск - Санкт-Петербург

23 1510-

5н

(

2015105-

мм 2 4

мм

23.10 сд

1 м м м м м м "П 6 8 10 12 14 10 18 20 22 24

Р2МНЧ

,То

5 2

БЕМНЧ М ' 1 м

О 2 4 6 8 10 12 14 10 18 20 22 24

I М » I М М М

24.10 сб

ММ

2015105

ЕаМНЧ То Те 2

\ /»-о-/ / ■ * ' Г' * 1 1 1

Г2МНЧ * 1 | . Г-1" |'-Т—р-г-т' 1 I ■ 1 | г

сб

0 2

26.10

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (То

I М М М м м м м м 8 га 12 14 16 18 20 22 24

Время, ЦТ

Рисунок 8. Суточные вариации значений Р2МНЧ (МНЧ - максимально наблюдаемая частота) и ЕвМНЧ на радиотрассе Мурманск - С.- Петербург по данным НЗИ за 5 дней конца октября 2003 г. То - начало развития возмущения, Те - конец возмущения, сд - спокойный день, сб - суббуря, ув - умеренное возмущение, ив - интенсивное возмущение.

В разделе 3.2. на радиотрассе Санкт-Петербург - Лонгиербьен (Шпицберген) методом наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) исследовались условия распространения радиоволн в декабре 2001 года. Экспериментально полученные ионограммы анализировались с точки зрения влияния главного ионосферного провала (ГИП) и геомагнитных суббурь на прохождение сигналов, пример показан на рисунке 9.

30 т

О

01F2+2F2 +.. 16-17 декабря

© слоистые Г-отраж, Q 1F2 + F-рассеямие 0 Г-отражения с tp. эагаод, Q Es-отражения + F-paee. О F-рассеяние

©

о' о

'Р"Т "г*|"1 у г|-''"Г ■ I . I 21 23 1 3 5 7 9 11 часы, UT

Рисунок 9. Вариации значений F2MH4 на трассе за 16-17 декабря 2001 года для умеренных суббурь (Imax = - 225 нТл). Обозначения ГИП и СГП соответствуют случаям, когда точка отражения трассы находится в провале или на его северной

стенке.

С помощью радара CUTLASS произведена физическая интерпретация специфических особенностей ионограмм НЗИ, таких как аномальные моды распространения, задержки сигналов и их диффузность, нестандартные значения максимально наблюдаемых частот (МНЧ) и т. п. Получены следующие новые результаты. (1) Необычность условий распространения вдоль трассы состоит в изменении механизмов распространения в то время, когда имеют место суббури и/или когда точка отражения трассы (при односкачковом отражении) входит в

провал и выхолит из него. (2) Для распространения важно не общая степень возмущения, выраженная в значениях Кр или ЕКр, а скорее характер изменения магнитного поля в районе точки отражения трассы. Даже слабые суббури, но различной интенсивности, приводят к возникновению различных типов неоднородностей (но данным радара CUTLASS) и, следовательно, к различным модам распрос транения и различным значениям F2MH4.

В разделе 3.3 сформулированы основные выводы по главе 3.

В главе 4 основное внимание уделено искусственному возмущению ионосферы за счет ее мощного нагрева со стендов на поверхности Земли. В экспериментальном плане (с помощью разработанной аппаратуры) делается акцент на диагностику и контроль за излучением нагревных стендов методами распространения радиоволн, рисунок 10.

Рисунок 10. Географическое расположение высокоширотных KB нагревных стендов EISCAT, SPEAR, HAARP, HIPAS, а также радиолинии между нагревными стендами и пунктом приема в Санкт-Петербурге.

В разделе 4.1 приведены главные технические параметры существующих нагревных стендов в высоких широтах.

Частота, Гц

Рисунок 11. Динамические доплеровские спектры нагревного сигнала стенда SPEAR на частоте 4450 кГц и его второй гармоники (8900 кГц), принятых в С. Петербурге 24 февраля 2007 г. с 8.33 до 9.30 UT. Нагревной стенд SPEAR излучал на Х-моде поляризации в непрерывном режиме с частотой модуляции 3 Гц.

В разделе 4.2 сначала дана характеристика разработанного многоканального КВ доплеровского комплекса для исследования спектральной структуры сигналов, излучаемых передатчиками различных КВ нагрсвных стендов, пример дан на рисунке 11.

Лонгиербьен - С. Петербург

(н=44 50 кГц 2^=8900 кГц

Этот комплекс также может быть использован для исследования мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) методом ракурсного рассеяния радиоволн. Далее, согласно проведенным экспериментальным исследованиям, было продемонстрировано, что ракурсно-рассеянные на МИИН сигналы регистрировались в месте приема (ст. «Горьковская») на различных радионаправлениях и различных рабочих частотах от 9.8 до 17.5 МГц, Указанный частотный диапазон соответствует поперечным к магнитному полю размерам МИИН порядка 8 - 15 м. Пример показан на рисунке 12.

7 сентября 2006

Армавир -Сура - С.Петербург \ = 15660 кГц

Сура - С.Петербург Ж = 4300 кГц

гггтттттттттттттттгп -10 -5 0 5 10

Доплеровская частота, Гц

Рисунок 12. Динамические доплеровские спектры диагностических КВ сигналов на трассе Армавир-Сура-С. Петербург на частоте15660 кГц, а также сигналов нагревного стенда «Сура» на частоте/=4300 кГц, принятого в С.-Петербурге 7 сентября 2006 г. с 14.59 до 15.48 ЦТ. Распространению сигнала из Армавира в С. Петербург по дуге большого круга соответствует нулевой доплеровской частоте.

В разделе 4.3 описан еще один разработанный приемный сканирующий КВ комплекс, позволяющий изучать спектральные компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ). Представлены результаты анализа спектров ИРИ в пос. Баренцбург на Шпицбергене. Иллюстрацией данного анализа служит рисунок 13.

fh = 4450 кНн, 9 March 2007

11:00:00

10:50:00

10:00:00

-20 0 20

kHz from 4450 kHz

100

Рисунок 13. Распределение интенсивности нагревного сигнала стенда SPEAR при

положительных (+50 кГц) и отрицательных (-50 кГц) отстройках от частоты нагрева (fH=4450 кГц) 9 марта 2007 г. с 10 до 11UT. Стенд SPEAR излучал на О-моде поляризации в непрерывном режиме с 10.12 до 11 UT.

В спектре нагревного сигнала обнаружен дополнительный максимум, сдвинутый по частоте в область отрицательных отстроек, трек -9 кГц на рисунке 13. Этот максимум вызван генерацией DM (downshifted maximum) компоненты в спектре ИРИ. Помимо DM в спектре ИРИ присутствуют ВС (broad continuum) и BUS (broad upshifted structure) спектральные компоненты. Далее подчеркнуто, что данный комплекс может быть применен для дистанционного определения частоты модуляции KB нагревного сигнала.

В разделе 4.4 сформулированы основные выводы по главе 4.

В разделе Заключение сформулированы главные результаты, полученные в диссертации.

В Приложениях приводится описание технических реализаций многоканального доплеровского и сканирующего KB комплексов, разработанных под руководством автора настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Подробно рассмотрены малоизвестные механизмы образования положительных пиков AfoF2 ионосферы продолжительностью 6-8 ч до момента То - начала развития взрывной фазы изолированной суббури. Они связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли. Главным обстоятельством здесь является совершенно иной канал проникновения энергии солнечного ветра в ионосферу - через входной слой во внутреннюю магнитосферу и через дневной касп в ионосферу. Рост AfoF2 перед То может быть использован как средство для прогнозирования начала ионосферных возмущений, в вопросах космической погоды, распространения радиоволн и т. д.

2. Показано, что механизмы изменения электронной концентрации в слое F ионосферы во время всех трех фаз суббурь в средних и высоких широтах различны. В высоких широтах эти изменения, вероятно, связаны с ветрами в атмосфере и спецификой полярной ионосферы (авроральные электроджеты, высыпания частиц и т.д.). На средних широтах более важную роль, видимо, играют электрические поля магнитосферного происхождения. Механизмы вариаций AfoF2 для положительных и отрицательных суббурь также отличаются, особенно в высоких широтах. Эти механизмы отличны для дневных условий и ночных в случае суббури одной полярности.

3. Комплексный эксперимент методом НОР на аппаратуре БИЗОН (ст. Горьковская) с привлечением геофизической информации показал возможность интерпретации сложных ионосферных явлений на ионограммах НОР во время магнитных бурь или суббурь. Исследована конкретная суббуря в интервале 14.51 -16.55 UT во время широко известной магнитной бури 10.01.97. Выявлены возможные типы отражений от следующих ионосферных структур: от ПСП (ГДВ) как постоянных образований, от УПИ, возможно от ГДС и маловероятно от КИП как "утренней" структуры. Также отражения возможны от полярных сияний и неоднородностей, дрейфующих из дневного каспа в направлении ПСП, не считая эффекта обратного рассеяния от Земли. Подобные исследования вносят определенный вклад в дело изучения солнечно-земной физики и особенно проблем, сформулированных в рамках международных программ CEDAR, ISTP, GEM.NSWPhCAWSES.

4. Боковые сигналы на высокоширотных радиотрассах в условиях дневной суббури обусловлены неоднородностями и градиентами в областях высыпаний. Важно отметить, что не каждая суббуря вызывает боковые сигналы. Во-первых, чтобы боковые сигналы существовали, суббуря должна быть достаточно интенсивная (не менее 100 нТл). Во-вторых, боковые сигналы возможны, если точка отражения трассы находится вблизи области высыпаний с неоднородностями. Указанный эффект появления боковых сигналов во время дневных суббурь является новым, практически не изученным.

5. В общем случае боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы. Эти ночные боковые появляются всегда как в спокойных, так и в возмущенных условиях. Тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Наиболее частое появление боковых сигналов от градиентов ионизации с интенсивными отражениями наблюдается при средней возмущенности и особенно

в ночные. Во время мощных возмущений боковые сигналы крайне редки из-за сильного поглощения сигналов днем и ночью и возможной экранировки спорадическими Es. Моделирование боковых сигналов показало, что синтезированные (расчетные) ионограммы НЗИ в основном, то есть без учета тонких деталей, совпадают с полученными экспериментально.

6. На трассах Кируна - Киркенес и Кируна - Лонгиербьен в окрестности момента То наблюдается рост значений отношения сигнал/шум, угла места и доплеровского сдвига. Рост отношения сигнал/шум связан с эпизодическим отражением сигналов не от Р2-слоя, а от спорадических Es-слоев. Рост угла места связан с ростом высоты слоя F2 ионосферы и уменьшением его концентрации. Рост доплеровского сдвига связан с неоднородностями ионосферы, а также вариациями высоты слоя F2 и его критической частоты во время суббури. При отражении KB сигнала от F2-cnoa за несколько часов перед моментом То также наблюдается рост отношения сигнал/шум и угла места, иногда доплеровского сдвига. Но физические механизмы здесь другие. Рост отношения сигнал/шум связан с «главным эффектом» и/или влиянием дневного каспа. Рост угла места связан с градиентами в ионосфере и ее слоистостью. Некоторый рост доплеровского сдвига (иногда) связан с неоднородностями ионосферы за счет высыпаний в каспе.

7. Отличительной особенностью условий распространения волн на трассе С.Петербург - Лонгиербьен (Шпицберген) за декабрь 2001 года является то, что когда ее точка отражения начинает входить в провал во время возмущенных условий (суббури), то имеет место изменение механизмов распространения волн от нормального, многоскачкового, к необычному многомодовому со «слоистой» структурой. На трассе с точкой отражения в провале преимущественно преобладает F - рассеяние, иногда условие Е. Если точка отражения расположена на СГП, то наблюдается, как правило, регулярное отражение 1F2 плюс F -рассеяние. Если точка отражения находится в овале, то на ионограммах НЗИ часто наблюдаются отражения от спорадических слоев в F или Е областях плюс рассеяние. После выхода точки отражения трассы из овала опять наблюдается возврат к нормальному многоскачковому механизму распространения. Данная классификация мод распространения в зависимости от положения ГИП относительно трассы может быть применена не только для интерпретации экспериментальных данных НЗИ, но и для прогнозирования условий KB радиосвязи в высоких широтах.

8. Разработаны и апробированы дистанционные методы диагностики и контроля за излучением различных KB нагревных стендов EISCAT/Heating, SPEAR и Сура, расположенных в авроральной зоне, полярной шапке и средних широтах. Для исследования спектральной структуры сигналов, излучаемых различными KB нагревными стендами, создан многоканальный KB доплеровский комплекс, который позволяет принимать сигналы от различных KB нагревных стендов и исследовать спектральную структуру нагревных сигналов. Реализован также приемный сканирующий KB комплекс, позволяющий исследовать различные спектральные компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ). Этот же комплекс может быть применен для дистанционного определения частоты модуляции KB нагревного сигнала в килогерцовом диапазоне.

9. Показано, что доплеровский комплекс может эффективно использоваться для диагностики и исследования мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) методом ракурсного рассеяния радиоволн. Ракурсно-

рассеянные на МИИН сигналы регистрировались на различных радионаправлениях й различных рабочих частотах диагностических сигналов (в диапазоне от 9.8 до 17.5 МГц, что соответствует поперечным к магнитному полю масштабам МИИН порядка 8 - 15 м). С помощью сканирующего комплекса выполнен анализ результатов измерений спектров ИРИ в полярной ионосфере, В спектре шгревяого сигнала зарегистрировано появление дополнительного максимума, сдвинутого по частоте в область отрицательных отстроек на величину порядка 9 кГц. Появление дополнительного максимума объясняется генерацией DM (downshifted maximum) компоненты в спектре искусственного радиоизлучения ионосферы. Кроме DM компоненты в спектре ИРИ обнаружены ВС (broad continuum) и BUS (broad upshifted structure) спектральные компоненты.

В целом, выполненный комплексный анализ и обработка информации по распространению радиосигналов КВ диапазона на трассах во время естественных и искусственных возмущений позволили дать в общих чертах обоснование наблюдаемых особенностей прохождения сигналов в высоких широтах и сформулировать возможные причины их вариаций. Это важно как для научного понимания сложной проблемы распространения радиоволн в высоких широтах, так и для практических целей организации КВ радиосвязи, навигации, радиолокации и т.п.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Благовещенский Д. В., Борисова Т. Д., Калишин А. С. Нестандартные (боковые) моды распространения на высокоширотной коротковолновой радиотрассе // Известия вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52. .КМ. С. 101 -112.

2. Благовещенский Д. В., Калишин А. С. Механизмы роста критической частоты области F ионосферы до начала взрывной фазы суббури // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49. №2. С. 213-223.

3. Благовещенский Д. В., Калишин А. С., Стокер А. Дж., Воррингтон Е. М. Распространение КВ-радиоволн на высокоширотных радиотрассах за магннто-возмущенный период 24-28 октября 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49. №6. С. 824-834.

4. Калишин А. С. Принципы построения и применение протонного магнитометра // Научная сессия ГУАП. Часть 2. Технические науки. 2009. С. 47-51.

5. Калишин А. С. Регистрация ракурсно-рассеяных сигналов на искусственных неоднородностях при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением // Научная сессия ГУАП. Часть 2. Технические науки. 2010. С. 29-32.

6. Калишин А. С. Доплеровский метод измерения ракурсных сигналов при искусственной модификации ионосферы. // Научная сессия ГУАП. Часть 2. Технические науки. 2010. С.32-35.

7. Blagoveshchensky D. V., Andreev М. Yu., Mingalev V. S., Mingaleva G. I., Kalishin A. S. Physical and model interpretation of HF radio propagation on the St. Petersburg-Longyearbyen (Svalbard) path // Advances in Spacc Research. 2009. V. 43. P. 1974-1985.

8. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kornienko V.A., Kalishin A.S., Robinson T.R., Yeoman Т.К., Wright D.M., Baddeley L.J. SPEAR-induced field-aligned irregularities observed from bi-static HF radio scattering in the polar

ionosphere. // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2009. V. 71. P. 11-20.

9. Blagoveshchensky D. V., Kalishin A. S. Variations of ionospheric critical frequency before substorms. // Int. Conference Problems of Geocosmos. Book of Abstracts. St. Petersburg. 2008. P. 43-44.

10. Blagoveshchensky D. V., Kalishin A. S. Analysis of ionosondes, OIS and satellite data during a geomagnetic storm // Int. Conference Problems of Geocosmos. Book of Abstracts. St. Petersburg. 2010. P. 25-26.

11. Blagoveshchensky D. V., Kalishin A. S., MacDougall J. W. Effects of a "daytime" substorm on the ionosphere and radio propagation II Advances in Space Research. 2009. V. 44. P. 1008-1012.

12. Blagoveshchensky D. V., Kalishin A. S., MacDougall J. W. Effects of a "daytime" substorm on the ionosphere and radio propagation // Abstracts of 37th COSPAR Scientific Assembly. Monreal. 2008. P. 236.

13. Blagoveshchensky D. V., Kalishin A. S., Sergeyeva M. A. Space weather effects on radio propagation: study of the CEDAR, GEM and ISTP storm events // Annates Geophysicae. 2008. V. 26. №4. P. 1479-1490.

14. Blagoveshchensky D. V., Lester M., Kalishin A. S. Сеть высокоширотных радаров СуперДАРН как мощный инструмент космических исследований: принципы, методы, результаты // Using the CUTLASS data in radio propagation tasks. Материалы Международного семинара. ИСЗФ СО РАН.: Иркутск. 2008. DVD

15. Blagoveshchensky D. V., Sergeeva М. A., Kalishin A. S. Multilateral investigation of the ionosphere through a magnetospheric storm // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2010) ICEAA'10 Offshore. 12th Edition. Proceedings. Sydney. Australia. 2010. P. 361-363.

Формат 60x84 1\16 .Бумага офсетная. _Тираж 100 экз. ЗаказЛГ°63

Редакционко-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ ИОНОСФЕРЫ. КАК КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ВО ВРЕМЯ МАГНИТОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ.

1.1. Механизмы роста критической частоты Б-слоя ионосферы до начала суббури.

1.2. Исследование ионосферы методом обратного рассеяния во время магнитной бури.

1.3. Основные результаты главы 1.

ГЛАВА 2. АНОМАЛЬНЫЕ ВИДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НА КВ

РАДИОТРАССАХ.

2.1. Распространения вне дуги большого круга во время возмущений.

2.2. Нестандартные (боковые) моды распространения на КВ радиотрассе Мурманск- Санкт- Петербург.

2.3. Основные результаты главы 2.

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РАДИОТРАССАХ,

СПОСОБСТВУЮЩИЕ УЛУЧШЕНИЮ КВ РАДИОСВЯЗИ.

3.1. Распространение КВ на трех высокоширотных радиотрассах за магнито-возмущенный период.

3.2. Высокоширотные эффекты на радиотрассе Шпицберген - Санкт-Петербург

3.3. Основные результаты главы 3.

ГЛАВА 4. ПРИЕМ РАДИОСИГНАЛОВ ОТ КВ НАГРЕВНЫХ СТЕНДОВ В

АРКТИКЕ.

4.1. Краткие сведения о различных высокоширотных КВ нагревных стендах.

4.2. Многоканальный доплеровский комплекс.

4.3. Сканирующий КВ комплекс.

4.4. Основные результаты главы 4.

Диссертация посвящена малоизученным явлениям и закономерностям процессов при распространении коротких радиоволн в высоких широтах во время естественных и искусственных возмущений. К числу этих явлений и процессов относятся распространение вне дуги большого круга, отражение от градиентов ионизации, рассеяние на крупно- и мелкомасштабных неоднородностях ионосферы, авроральное поглощение, смена механизмов распространения, эффекты при нагреве ионосферы. Преимущество и актуальность настоящего исследования состоит в комплексности наблюдений за счет одновременного использования современных радиофизических средств: вертикального и наклонного зондирования ионосферы, доплеровского метода, радаров CUTLASS и БИЗОН, нагревных стендов, магнито-вариационных станций, риометров, а также в использовании современных методов обработки информации. Получены новые результаты, которые могут найти применение при повышении надежности технических систем KB радиосвязи, загоризонтной радиолокации, навигации и т. п.

Актуальность

Вопросы распространения KB в высоких широтах за последнее время получили новое, качественное развитие. Это обстоятельство, прежде всего, связано с усовершенствованием методов обработки сигналов с помощью современной быстродействующей компьютерной техники [69]. Главный недостаток KB радиосистем -многолучевость сигнала, приводящая к явлению замираний, теперь практически может быть устранена. С другой стороны, известны преимущества KB систем - передача сигналов малыми мощностями на очень большие расстояния, использование простых малогабаритных антенн, а также компактной и дешевой аппаратуры, что очень важно для высоких широт. Доставка сюда громоздкого оборудования, да еще требующего больших энергетических затрат, разумеется, не всегда оправдана. Альтернативой KB систем могли бы служить спутниковые радиосистемы, однако они до сих пор дороги. Поэтому, исследования вопросов распространения KB в высоких широтах представляются актуальными и важными не только с научной точки зрения, но и с практической - для обоснованной организации KB радиосвязи, для проблем навигации и загоризонтной радиолокации.

Известно, что в высоких широтах ионосфера весьма неоднородна, поскольку она, прежде всего, состоит из различных крупномасштабных структур со своими специфическими особенностями поведения (главный ионосферный провал, овал полярных сияний, полярная шапка и т.п.). Кроме того, высокоширотная ионосфера подвержена воздействию высыпающихся потоков частиц во время возмущений, электрических полей, ветров и т.д. Динамика ионосферы приводит к нарушению ее регулярной структуры и образованию мелкомасштабных неоднородностей и градиентов электронной концентрации. Неоднородности и градиенты при распространении радиоволн иногда приводят к изменению траектории волны в пространстве - вместо траектории вдоль дуги большого круга образуется новый путь сигнала (боковой), например, с отражением от градиентов ионизации или за счет рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Подобные боковые сигналы являются существенной помехой при приеме сигналов в системах радиосвязи, навигации и радиолокации. Поэтому их изучению необходимо уделять должное внимание. Ранее предпринимались попытки исследования природы образования нестандартных мод распространения и условий их возникновения [30, 38, 100, 102, 107, 108]. Однако для высоких широт полученных результатов, особенно для различной геомагнитной возмущенности, явно недостаточно.

Все вышесказанное относится к естественным процессам в ионосфере. Что касается искусственного воздействия на ионосферу, в частности, мощного КВ радиоизлучения от нагревных стендов, то оно приводит к возникновению искусственных ионосферных неоднородностей, поглощению радиоволн, радиоизлучению ионосферы, ее свечению, изменению ее проводимости и т. п. Разнообразие перечисленных, недостаточно изученных явлений требует тщательного их анализа, особенно в высоких широтах. При этом важное значение имеет диагностика и контроль характера излучения различных КВ нагревных стендов на значительном расстоянии от места нагрева, что можно осуществить методами распространения радиоволн. Проблема представляет не только чисто научный интерес с точки зрения изучения специфики распространения КВ в высоких широтах при различных геофизических условиях, но также и практический интерес, связанный с прикладными задачами. Так, осуществление дистанционного контроля за излучением различных КВ нагревных устройств дает возможность понять, какие искусственные ионосферные явления могут быть получены при конкретном режиме излучения.

Цель работы заключается в том, чтобы исследовать на основе современных методов обработки информации малоизученные явления и специфические процессы в ионосфере высоких широт во время магнитосферных возмущений и искусственных воздействий на нее для научно-обоснованного проектирования и повышения эффективности эксплуатации КВ радиосистем в Арктике.

Основные задачи:

1. Выявить системные закономерности и физические механизмы вариаций критических частот ионосферы во время магнитосферных суббурь. Изучить динамику и структуру высокоширотной ионосферы по данным KB радаров для магнитной бури.

2. Дать общую характеристику аномальных видов распространения KB на радиотрассах (вне дуги большого круга) в том числе и во время возмущений. Провести моделирование данных видов распространения, основываясь на компьютерных методах обработки информации из экспериментальных данных.

3. Изучить особенности распространения KB на трассах с помощью аппаратуры, позволяющей измерять отношение сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и углы места совместно с аппаратурой наклонного зондирования ионосферы (НЗИ).

4. Исследовать новые эффекты в ионосфере и распространении KB во время искусственного возмущения (нагрева) ионосферы.

Методы исследования:

В процессе работы над диссертацией основными источниками данных явились экспериментальные наблюдения как на отечественных радиотрассах и аппаратуре, так и зарубежных коллег. Это вертикальное зондирование ионосферы, наклонное зондирование (трассы), магнитометры, риометры, радары и ресурсы Интернета. При интерпретации результатов работы использовались методы системного анализа, методы компьютерной обработки экспериментальных материалов и методы численного моделирования траекторий радиоволн на трассах (ray tracing).

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований системных закономерностей процессов в высокоширотной ионосфере (как канале распространения KB), которые происходят за периоды магнитосферных возмущений различной длительности и интенсивности (бури, суббури).

2. Результаты анализа особенностей образования и существования аномальных, т. е. не стандартных, видов распространения радиоволн в высоких широтах за периоды слабой и существенной магнитной активности.

3. Результаты комплексных радиофизических исследований условий прохождения радиоволн на трассах различной протяженности с привязкой этих условий к геофизической обстановке в околоземном пространстве.

4. Системный анализ и научное обоснование новых эффектов в ионосфере и ионосферном распространении KB за счет искусственного воздействия на верхнюю атмосферу мощного нагрева с поверхности Земли.

Научная новизна

1. Определены малоизвестные механизмы образования положительных вариаций критических частот слоя F2 ионосферы продолжительностью 6-8 ч до начала развития взрывной фазы изолированной суббури. Они связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли. Показано, что механизмы изменения электронной концентрации в слое F2 ионосферы во время всех трех фаз суббурь в средних и высоких широтах различны.

2. Обнаружен эффект появления боковых сигналов на KB радиотрассах в дневное время во время суббурь, который является достаточно новым, малоизученным. По статистике боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы, тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации, встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Моделирование боковых сигналов посредством метода ray tracing показало удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных ионограммы НЗИ

3. С помощью аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и угол места приходящих радиоволн на трассах, определены новые эффекты в поведении указанных параметров во время начала суббурь и магнитных бурь. Наклонное зондирование ионосферы позволило обнаружить закономерности перераспределения мод распространения на радиотрассе при воздействии на нее главного провала ионизации или магнитосферных суббурь.

4. Выявлены особенности новых эффектов в высокоширотной ионосфере и распространении KB на трассах, таких как образование мелкомасштабных неоднородностей, ракурсное рассеяние радиоволн и др. во время искусственного нагрева ионосферы.

Научная и практическая ценность

1. Физически обоснованный эффект роста критической частоты слоя F2 ионосферы за несколько часов до начала магнитосферных возмущений можно рассматривать как реальное средство краткосрочного (за 2-3 часа) прогноза развития возмущения, что чрезвычайно актуально в вопросах создания методик прогнозирования состояния околоземного космического пространства.

2. Исследование структуры ионосферы с помощью метода наклонного обратного рассеяния во время магнитных возмущений типа бурь показало, что данный метод является весьма перспективным с точки зрения условий распространения радиоволн, так как фактически он в реальном времени дает картину состояния ионосферы на первой половине пути возможной трассы и в ее точке отражения.

3. Установленный характер возникновения боковых сигналов (вне дуги большого круга) на высокоширотных трассах во время возмущений позволяет в определенной мере оценить ожидаемый урон в работе радиолокационных, связных и навигационных KB радиосистем в высоких широтах, поскольку именно данный аномальный тип распространения является основной причиной сбоев в работе KB систем, спроектированных на принципах использования стандартных мод распространения.

4. На основе анализа данных аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровского сдвига частоты и угла места, а также аппаратуры наклонного зондирования ионосферы на радиотрассах во время возмущений определены условия появления или изменения характеристик сигналов, что важно для эффективной работы и проектирования всех высокоширотных KB радиосистем.

5. Установлено, что эффекты нагрева ионосферы могут быть использованы для определения характера и режима работы нагревных средств с помощью удаленных приемников, фиксирующих распространяющиеся радиосигналы как от передатчиков нагревных стендов, так и от области нагретой ионосферы.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов основывается на следующем. 1) Количество экспериментальных данных по ионосфере и распространению радиоволн достаточно для того, чтобы достоверно формулировать результаты и делать выводы. 2) Объединение как можно большего числа видов наблюдений, таких как вертикальное и наклонное зондирование, радары, магнитометры, риометры и др. с целью получения достоверной информации об ионосфере и условиях распространения на трассах. 3) Подтверждение результатов модельных расчетов параметров распространения методом ray tracing соответствующими экспериментальными данными в необходимом объеме. 4) Неоднократная проверка полученных в работе результатов и выводов совместно с их физической интерпретацией по материалам, достигнутым ранее и не вошедшим в состав диссертации.

Взаимоотношения с соавторами. Все представленные в диссертации основные результаты и выводы, особенно новые, которые опубликованы в 15 научных работах, являются оригинальными и получены автором лично. Научный руководитель помогал сформулировать общий план исследований и отдельные его детали как следствие совместных обсуждений и анализа данных. Иностранные соавторы помогали в основном в получении исходных данных и при подготовке публикаций за рубежом. Сам автор лично участвовал в разработке аппаратуры и ее использовании для исследований эффектов в ионосфере и распространении радиоволн во время искусственного нагрева ионосферы. Также автором проведена компьютерная обработка информации, анализ полученных материалов с позиций научных достижений и физическая интерпретация экспериментальных фактов.

Апробация работы. Результаты, сформулированные в диссертации, докладывались на Научных сессиях ГУАП, посвященных Дню космонавтики (Санкт-Петербург, 2009, 2010), Международном семинаре «Сеть высокочастотных радаров СуперДАРН как мощный инструмент космических исследований: принципы, методы, результаты» (Иркутск, 2008), 7-ой и 8-ой Международных конференциях "Problems of geocosmos" (Санкт-Петербург, 2008, 2010), 37-ой Научной ассамблее COSPAR (Монреаль, 2008), International Conference on Electromagnetics on Advanced Applications (Sydney, Australia, 2010, Научных семинарах ААНИИ (2009, 2010), Конференции молодых специалистов ГУ НПО «Тайфун» (Обнинск 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ:

-7 статей в реферируемых журналах: «Известия вузов. Радиофизика» - 1, «Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 2, "Annales Geophysicae" EGU — 1, "Advances in Space Research" COSPAR - 2, "Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics" EGU - 1;

-доклады на международных конференциях - 5, на других - 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 2-х приложений. Основное содержание диссертации изложено на 151 странице и содержит 44 рисунка и 4 таблицы.

4.4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 4

Разработаны и апробированы дистанционные методы диагностики и контроля за излучением различных KB нагревных стендов EISCAT/Heating, SPEAR и Сура, расположенных в авроральной зоне, полярной шапке и средних широтах.

1. Для исследования спектральной структуры сигналов, излучаемых различными KB нагревными стендами, создан многоканальный KB доплеровский комплекс на базе современных радиоприемников ICOM R75, который установлен на обсерватории НИС «Горьковская» под г. С. Петербург. Этот комплекс позволяет с высокой степенью надежности принимать сигналы от различных KB нагревных стендов при различных фоновых геофизических условиях и детально исследовать спектральную структуру нагревных сигналов. Показано, что этот комплекс также может эффективно использоваться для диагностики и исследования мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) методом ракурсного рассеяния радиоволн (метод бистатических KB радарных наблюдений).

2. На основе проведенных экспериментальных исследований показано, что ракурсно-рассеянные на МИИН сигналы регистрировались на различных радионаправлениях и различных рабочих частотах диагностических сигналов (в диапазоне от 9.8 до 17.5 МГц. что соответствует поперечным к магнитному полю масштабам МИИН порядка 8 - 15 м).

3. Реализован приемный сканирующий KB комплекс, позволяющий детально исследовать различные спектральные компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) в полосе до 100 кГц с разрешением по частоте 100 Гц. Этот же комплекс может быть использован для дистанционного определения частоты модуляции KB нагревного сигнала в килогерцовом диапазоне.

Выполнен анализ результатов измерений спектров ИРИ в полярной ионосфере, полученных в пос. Баренцбург (арх. Шпицберген). В спектре нагревного сигнала зарегистрировано появление дополнительного максимума, сдвинутого по частоте в область отрицательных отстроек на величину порядка 9 кГц. Появление дополнительного максимума объясняется генерацией DM (downshifted maximum) компоненты в спектре искусственного радиоизлучения ионосферы. Кроме DM компоненты в спектре ИРИ обнаружены ВС (broad continuum) и BUS (broad upshifted structure) спектральные компоненты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Как итог полученных в работе результатов, сформулируем главные из них.

1. Подробно рассмотрены малоизвестные механизмы образования положительных пиков AfoF2 ионосферы продолжительностью 6-8 ч до момента То - начала развития взрывной фазы изолированной суббури. Они связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли. Главным обстоятельством здесь является совершенно иной канал проникновения энергии солнечного ветра в ионосферу - через входной слой во внутреннюю магнитосферу и через дневной касп в ионосферу. Рост AfoF2 перед То может быть использован как средство для прогнозирования начала ионосферных возмущений, в вопросах космической погоды, распространения радиоволн и т. д.

2. Показано, что механизмы изменения электронной концентрации в слое F ионосферы во время всех трех фаз суббурь в средних и высоких широтах различны. В высоких широтах эти изменения по-видимому связаны с ветрами в атмосфере и спецификой полярной ионосферы (авроральные электроджеты, высыпания частиц и т.д.). На средних широтах более важную роль, видимо, играют электрические поля магнитосферного происхождения. Механизмы вариаций AfoF2 для положительных и отрицательных суббурь также отличаются, особенно в высоких широтах. Эти механизмы отличны для дневных условий и ночных в случае суббури одной полярности.

3. Комплексный эксперимент методом НОР на аппаратуре БИЗОН (ст. Горьковская) с привлечением геофизической информации показал возможность интерпретации сложных ионосферных явлений на ионограммах НОР во время магнитных бурь или суббурь. Исследована конкретная суббуря в интервале 14.51 - 16.55 UT во время широко известной магнитной бури 10.01.97. Выявлены возможные типы отражений от следующих ионосферных структур: от ПСП (ГДВ) как постоянных образований, от УПИ, возможно от ГДС и маловероятно от КИП как "утренней" структуры. Также отражения возможны от полярных сияний и неоднородностей, дрейфующих из дневного каспа в направлении ПСП, не считая эффекта обратного рассеяния от Земли. Подобные исследования вносят определенный вклад в дело изучения солнечно-земной физики и особенно проблем, сформулированных в рамках международных программ CEDAR, ISTP, GEM, NSWP и CAWSES.

4. Боковые сигналы на высокоширотных радиотрассах в условиях дневной суббури обусловлены неоднородностями и градиентами в областях высыпаний. Важно отметить, что не каждая суббуря вызывает боковые сигналы. Во-первых, чтобы боковые сигналы существовали, суббуря должна быть достаточно интенсивная (не менее 100 нТ). Во-вторых, боковые сигналы возможны, если точка отражения трассы находится вблизи области высыпаний с неоднородностями. Указанный эффект появления боковых сигналов во время дневных суббурь является новым, практически не изученным.

5. В общем случае боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы. Эти ночные боковые появляются всегда как в спокойных, так и в возмущенных условиях. Тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Наиболее частое появление боковых сигналов от градиентов ионизации с интенсивными отражениями наблюдается при средней возмущенности и, особенно в ночные часы. Во время мощных возмущений боковые сигналы крайне редки из-за сильного поглощения сигналов днем и ночью и возможной экранировки спорадическими Еб. Моделирование боковых сигналов показало, что синтезированные (расчетные) ионограммы НЗИ в основном, т. е. без учета тонких деталей, совпадают с полученными экспериментально.

6. На трассах Кируна - Киркенес и Кируна - Лонгиербьен в окрестности момента То наблюдается рост значений отношения сигнал/шум, угла места и доплеровского сдвига. Рост отношения сигнал/шум связан с эпизодическим отражением сигналов не от Р2-слоя, а от спорадических ЕБ-слоев. Рост угла места связан с ростом высоты слоя ¥2 ионосферы и уменьшением его концентрации. Рост доплеровского сдвига связан с неоднородностями ионосферы, а также вариациями высоты слоя 72 и его критической частоты во время суббури. При отражении КВ сигнала от Р2-слоя за несколько часов перед моментом То также наблюдается рост отношения сигнал/шум и угла места, иногда доплеровского сдвига. Но физические механизмы здесь другие. Рост отношения сигнал/шум связан с «главным эффектом» и/или влиянием дневного каспа. Рост угла места связан с градиентами в ионосфере и ее слоистостью. Некоторый рост доплеровского сдвига (иногда) связан с неоднородностями ионосферы за счет высыпаний в каспе.

7. Отличительной особенностью условий распространения волн на трассе С.Петербург - Лонгиербьен (Шпицберген) за декабрь 2001 года является то, что когда ее точка отражения начинает входить в провал во время возмущенных условий (суббури), то имеет место изменение механизмов распространения волн от нормального, многоскачкового, к необычному многомодовому со «слоистой» структурой. На трассе с точкой отражения в провале преимущественно преобладает Б — рассеяние, иногда условие Е. Если точка отражения расположена на СГП, то наблюдается, как правило, регулярное отражение 1Р2 плюс Б — рассеяние. Если точка отражения находится в овале, то на ионограммах НЗИ часто наблюдаются отражения от спорадических слоев в F или Е областях плюс рассеяние. После выхода точки отражения трассы из овала опять наблюдается возврат к нормальному многоскачковому механизму распространения. Данная классификация мод распространения в зависимости от положения ГИП относительно трассы может быть применена не только для интерпретации экспериментальных данных НЗИ, но и для прогнозирования условий КВ радиосвязи в высоких широтах.

8. Разработаны и апробированы дистанционные методы диагностики и контроля за излучением различных КВ нагревных стендов EISCAT/Heating, SPEAR и Сура, расположенных в авроральной зоне, полярной шапке и средних широтах. Для исследования спектральной структуры сигналов, излучаемых различными КВ нагревными стендами, создан многоканальный КВ доплеровский комплекс, который позволяет принимать сигналы от различных КВ нагревных стендов и исследовать спектральную структуру нагревных сигналов. Реализован также приемный сканирующий КВ комплекс, позволяющий исследовать различные спектральные компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ). Этот же комплекс может быть применен для дистанционного определения частоты модуляции КВ нагревного сигнала в килогерцовом диапазоне.

9. Показано, что доплеровский комплекс может эффективно использоваться для диагностики и исследования мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) методом ракурсного рассеяния радиоволн. Ракурсно-рассеянные на МИИН сигналы регистрировались на различных радионаправлениях и различных рабочих частотах диагностических сигналов (в диапазоне от 9.8 до 17.5 МГц, что соответствует поперечным к магнитному полю масштабам МИИН порядка 8 - 15 м). С помощью сканирующего комплекса выполнен анализ результатов измерений спектров ИРИ в полярной ионосфере. В спектре нагревного сигнала зарегистрировано появление дополнительного максимума, сдвинутого по частоте в область отрицательных отстроек на величину порядка 9 кГц. Появление дополнительного максимума объясняется генерацией DM (downshifted maximum) компоненты в спектре искусственного радиоизлучения ионосферы. Кроме DM компоненты в спектре ИРИ обнаружены ВС (broad continuum) и BUS (broad upshifled structure) спектральные компоненты.

В целом, выполненный комплексный анализ и обработка информации по распространения радиосигналов КВ диапазона на трассах во время естественных и искусственных возмущений позволила дать в общих чертах обоснование наблюдаемых особенностей прохождения сигналов в высоких широтах и сформулировать возможные причины их вариаций. Это важно как для научного понимания сложной проблемы распространения радиоволн в высоких широтах, так и для практических целей организации КВ радиосвязи, навигации, загоризонтной радиолокации и т.п.

1. Авдеев В. Б. Обзор результатов по рассеянию КВ сигналов на искусственной плазменной турбулентности, полученных при использовании УТР-2 радиотелескопа / В. Б. Авдеев, В.С. Белей, А.Ф. Беленов и др. // Изв. вузов Радиофиз. 1994. Т. 37. С. 479-492.

2. Андреев М. Ю. Модельное исследование эффекта главного ионосферного провала в распространении коротких радиоволн / М. Ю. Андреев, Т. Н. Лукичёва, В. С Мингалёв. // Геом. и аэрон. 2006. Т. 46. №1. С. 94-100.

3. Ануфриева Т. А. Геометрические параметры слоя ¥2 ионосферы / Т. А. Ануфриева, Б. С. Шапиро //М.: Наука. 1976. 91с.

4. Беленов А. Ф. О параметрах искусственных мелкомасштабных ионоферных неоднородностей / А. Ф. Беленов, В. Ф. Бубнов, Л. М. Ерухимов и др. // Изв. вузов Радиофиз. 1977. Т. 20. С. 1805-1813.

5. Благовещенский Д. В. Распространение коротких радиоволн в высоких широтах. / Д. В. Благовещенский //М.: Наука. 1981. 192с.

6. Благовещенский Д. В. Коррекция модели радиоканала. / Д. В. Благовещенский, Т. Д. Борисова // Геом. и аэрон. 1989. Т. 29. №4. С. 696-697.

7. Благовещенский Д. В. Пред- и послебуревые ситуации в ионосфере и распространение декаметровых радиоволн. / Д. В. Благовещенский, Т. Д. Борисова, Л. В. Егорова // Геом. и аэрон. 1996. Т. 36. №4. С. 125-134.

8. Благовещенский Д. В. Нестандартные (боковые) моды распространения на высокоширотной коротковолновой радиотрассе. / Д. В. Благовещенский, Т. Д. Борисова, А. С. Калишин // Изв. вузов. Радиоф. 2009. Т. 52, №4, С. 101-112.

9. Благовещенский Д. В. Высокоширотные геофизические явления и прогнозирование КВ радиоканалов / Д. В. Благовещенский, Г. А. Жеребцов//М.: Наука. 1987. 272с.

10. Благовещенский Д. В. Механизмы роста критической частоты области Б ионосферы до начала взрывной фазы суббури / Д. В. Благовещенский, А. С. Калишин //Геом. и аэрон. 2009. Т. 49, №2, С. 213-223.

11. Благовещенский Д. В. Распространение КВ-радиоволн на высокоширотных радиотрассах за магнитовозмущенный период 24-28 октября 2003 г./ Д. В. Благовещенский, А. С. Калишин, Стокер и др // Геом. и аэрон. 2009. Т. 49, №6, С. 824-834.

12. Благов егценская Н. Ф. Геофизические аспекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве / Н. Ф Благовещенская // СПб.: Гидрометеоиздат, 2001 287 с.

13. Гальперин Ю. К. Субавроральная верхняя ионосфера. / Ю. И. Гальперин, Л. Д. Сивцева, В. М. Филиппов и др. //Новосибирск: Наука. 1990. 192с.

14. Гершман Б. Н. Явление Е-рассеяния в ионосфере. / Б. Н. Гершман, Э. С. Казимировский, В. Д. Кокоуров и др. // М.: Наука. 1984. 141с.

15. Гетманцев Г. Г. Ракурсное рассеяние коротковолновых радиосигналов на искусственных ионосферных неоднородностях / Г. Г. Гетманцев, Л. М. Ерухимов, Н. А. Митяков и др // Изв. вузов. Радиоф. 1976. Т. 19. С. 1909-1912.

16. Гульельми А. В. Нарастание волновой активности Рс1 перед внезапными магнитными импульсами / А. В. Гульельми, Н. А. Золотухина, И. Кангас и др // Исслед. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 112. Иркутск: СО РАН. С. 115-123. 2001.

17. Гуревич А. В. Нелинейные явления в ионосфере / А. В. Гуревич // УФН. 2007. Т. 177 (11). С. 1145-1177.

18. Данилов А. Д. Термосферно-ионосферное взаимодействие в период ионосферных бурь (обзор) / А. Д. Данилов, JI. Д. Морозова. // Геом. и аэрон. 1991. Т. 31. №2. С. 209-222.

19. Данилов А. Д. О возможной природе положительной фазы ионосферных бурь / А. Д. Данилов, Л. Д. Морозова, Э. Г. Мирмович // Геом. и аэрон 1985. Т. 25. №5. С. 768772.

20. Деманов М. Г. Динамика среднеширотного ионосферного провала в периоды бурь. 1. Качественная картина / М. Г. Деминов, А. Т. Корпачев, В. В. Афонин и др. // Геом. и аэрон. 1995. Т. 35. № 1. С. 73-79.

21. Деминов М. Г. Динамика среднеширотного ионосферного провала в период магнитной бури. 2. Главная фаза / М. Г. Деминов, А. Т. Корпачев, В. В. Афонин и др // Геом. и аэрон. 1995. Т. 35. № 6. С. 69-77.

22. Ерухимов Л. М. О спектре мелкомасштабной части искусственной ионосферной турбулентности / Л. М. Ерухимов, Г. П. Комраков, В. Л. Фролов // Геом. и аэрон. 1980. Т. 20. С.1112-1121.

23. Ерухимов Л. М. Экспериментальные исследования искусственной ионосферной турбулентности / Л. М. Ерухимов, С. А. Метелев, Э. М. Митякова и др // Тепловые нелинейные явления в плазме. Горький: ИПФ АНСССР, 1979. С. 7-45.

24. Золотухина Н. А. О геофизических предвестниках SSC / Золотухина Н. А // Исслед. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 66. М.: Наука. 1983. С. 51-54.

25. Пудовкин М. И. Возмущения электромагнитного поля земли. Часть 2. Короткопериодические колебания геомагнитного поля. / М. И. Пудовкин, О. М. Распопов, Н. Г. Клейменова // Л.: ЛГУ. 1976,270с.

26. Чернышев Д. В. Прогноз максимальных критических частот; W=10,50,150,200. / Д. В. Чернышев, Т. Н. Васильева // М.: Наука. 1975. 54 с.

27. Aarons J. Development of high latitude phase fluctuations during the January 10, April 1011, and May 15, 1997 magnetic storms / J. Aarons, B. Lin // J. Atmos. Sol.- Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 309-327.

28. Aarons, J. The effect of electric field and ring current energy increases on F layer irregularities at auroral and subauroral latitudes / J. Aarons, A. S. Rodger // Radio Science. 1991. 26. 1115-1129.

29. Bates H.F. Results of the HF forward and backscatter program at Colledge since 1963. Final report UAGR-178. / H. F. Bates //University of Alaska. 1966. 91p.

30. Bauske R. Ionospheric storm effects in the nighttime E region caused by neutralized ring current particles / R. Bauske, S. Noel, G. Prolss // Ann. Geophys. 1997. V. 15. N7. P. 300-305.

31. Blagoveshchensky D. V. Physical and model interpretation of HF radio propagation on the St. Petersburg-Longyearbyen (Svalbard) path. / D. V. Blagoveshchensky, M. Yu. Andreev, V. S. Mingalev et al //Advances in Space Research. 2009. V. 43. P. 1974-1985.

32. Blagoveshchensky D. V. Main ionization trough parameters for ionosphere modeling by HF radio network observations / D. V. Blagoveshchensky, T. D. Borisova // Advance Space Research. 1995. V. 16. № 1. P. 65 68.

33. Blagoveshchensky D. V. Substorm effects of ionosphere and HF propagation / D. V. Blagoveshchensky, T. D. Borisova // Radio Sci. 2000. V. 35. №5. P. 1165-1171.

34. Blagoveshchensky D. V. Irregular HF radio propagation on a subauroral path during magnetospheric substorms. / D. V. Blagoveshchensky, T. D. Borisova, J. W. MacDougall //Ann. Geophys. 2006. 24. P. 1839-1849.

35. Blagoveshchensky D. V. High-latitude ionospheric phenomena diagnostics by high-frequency radio wave propagation observations / D. V. Blagoveshchensky, L. V. Egorova, V. M. Lukashkin // Radio Sci. 1992. V. 27. №3. P. 267-274.

36. Blagoveshchensky D. V. Variations of ionospheric critical frequency before substorms. Int. Conference Problems of Geocosmos / D. V. Blagoveshchensky, A. S. Kalishin // Book of Abstracts.: St. Petersburg, 2008, P. 43-44.

37. Blagoveshchensky D. V. Effects of a "day-time" substorm on the ionosphere and radio propagation / D. V. Blagoveshchensky, A. S. Kalishin, J. W. MacDougall //Advances in Space Research. 2009. V. 44. P. 1008-1012.

38. Blagoveshchensky D. V. Space weather effects on radio propagation: study of the CEDAR, GEM and ISTP storm events / D. V. Blagoveshchensky, A. S. Kalishin, M. A. Sergeyeva//Ann. Geophys. 2008. V. 26. №4. P. 1479-1490.

39. Blagoveshchensky D. V. Observations by the CUTLASS radar, HF Doppler, oblique ionospheric sounding, and TEC from GPS during a magnetic storm / D. V. Blagoveshchensky, M. Lester, V. A. Kornienko et al. //Ann. Geophys. 2005. 23. P. 1697-1709.

40. Blagoveshchensky D. V. Ionospheric effects preceding the October 2003 Halloween storm / D. V. Blagoveshchensky, J. W. MacDougall, A. V. Piatkova // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68. №11. P. 821-831.

41. Blagoveshchensky D. V. Ionosphere dynamics over Europe and western Asia during magnetospheric substorms 1998-99 / D. V. Blagoveshchensky, O. A. Maltseva, A. S. Rodger // Ann. Geophysicae. 2003. V.21. №7. P. 1141-1151.

42. Blagoveshchensky D. V. Magnetic storm effects on a HF transauroral radio path / D. V. Blagoveshchensky, S. V. Nozdrachev, M. A. Sergeeva et al // Int. J. Geomagn. Aeron. 2005b. 5. GI3006, doi: 10.1029/2005GI00010.

43. Blagoveshchensky D. V. HF radio propagation through the auroral oval during substorms / D. V. Blagoveshchensky, V. M. Yystavnoi, M. A. Sergeeva // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2005c. 67. P. 1618-1625.

44. Borisova T. D. Doppler shift simulation of scattered HF signals during the Tromso HF pumping experiment on 16 February 1996 / T. D. Borisova, N. F. Blagoveshchenskaya, I. V. Moskvin, et al. // Ann. Geophysicae. 2002. 20, P. 1479-1486.

45. Bristow W. A. Identification of high-latitude acoustic gravity wave sources using the Goose Bay HF radar / W. A. Bristow, R. A. Greenwald, J. C. Samson // J. Geophys. Res. 1994. 99, P. 319-331.

46. Buonsanto M. J. Ionospheric storms a review / M. J. Buonsanto II Space Sci. Rev. 1999. V. 88. P. 563-601.

47. Chao-Song Huang. Prompt effects of solar wind variations on the inner magnetosphere and midlatitude ionosphere / Chao-Song Huang, J. C. Foster // Space Weather Week. April 16-19. Boulder. Colorado. Abstr. 2002. P. 17.

48. Davies, K. Ionospheric Radio / K. Davies // London. Peter Peregrinus Ltd. 1990.

49. Foster J. C. Radar observations of magnetosphere-ionosphere coupling at mid and high latitudes / J. C. Foster // J. Geom. Geoelectr. 1995. V. 47. P. 801-812.

50. Fox N. J. Cradle to grave tracking of the January 6-11, 1997 sun-earth connection event / N. J. Fox, M. Peredo, B. J. Thompson // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 2461-2464.

51. Gauld, J. K. SuperDARN radar HF propagation and absorption response to the substorm expansion phase. / J. K. Gauld, T. K. Yeoman, J. A. Davies, et al // Ann. Geophys. 2002. 20. 1631-1645.

52. Gonzales W. D. What is a geomagnetic storm? / W. D. Gonzales, J. A. Joselyn, Y. Kamide et al // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. N A4. P. 5771-5792.

53. Greenwald R. A. DARN/SuperDARN: A global view of the dynamics of high-latitude convection / R. A Greenwald // Space Science Review. 1995. V. 71. P. 761-769.

54. Gurevich A. V. Nonlinear phenomena in the ionosphere / A. V. Gurevich // New York: Springer. 1978. 223p.

55. High Frequency Active Auroral Research Program (HAARP) -http ://www.haarp. alaska. edu/haarp/ant .html.

56. Halcrow B. W. A model of F2 peak electron densities in the main trough region of the ionosphere / B. W. Halcrow, J. S. Nisbet // Radio Sci. 1977. V. 12. №5. P. 815-827.

57. Holzworth, R. H. Mathematical representation of the auroral oval / R. H. Holzworth, C. I. Meng // Geophys. Res. Lett. 1975. Y. 2. P. 377.

58. Hughes, J. M. Determining characteristics of HF communications links using SuperDARN / J. M. Hughes, J. M. Bristow, R. A. Greenwald, et al //Ann. Geophysicae, 2002. 20. P. 10231030.

59. Hunsucker R. D. Auroral and Polar-Cap Ionospheric Effects on Radio Propagation. Mini Review / R. D. Hunsucker // IEEE Trans. Antennas and Propagat. 1992. V. 40. No 7. P. 818-828.

60. Hunsucker, R. D. The high-latitude ionosphere and its effects on radio propagation / R. D. Hunsucker, J. K. Hargreaves // Cambridge University Press. 2003. P. 477-482. ISBN 052133083-1.

61. Ivanov, V. B. Instability of the state of the night-time topside ionosphere/ V. B. Ivanov, M. V. Tolstikov//J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2003. 65. P. 673-676.

62. Jakowski N. Total electron content of the ionosphere during the geomagnetic storm on 10 January 1997 /N. Jakowski, S. Schluter, E. Sardon // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 299-307.

63. Kangas J. Impact of interplanetary shock on the ULF wave activity: A case study of the storm sudden commencement on September 22, 1999 / J. Kangas, J. Kultima, A. Guglielmi et al. //EarthPlanets Space. 2001. V. 53. P. 1173-1182.

64. Kilgallen J. E. Wideband search and collection techniques reveal elusive HF communications / J. E. Kilgallen // Procs of Nordic shortwave conference. Ed. B. Lundborg. Faro. Sweden. 2001. P. 7.2.1-7.2.7.

65. LaBelle, J. High-latitude propagation studies using a meridional chain of LF/MF/HF receivers/J. LaBelle//Ann. Geophys. 2004. 22, 1705-1718.

66. Lastovicka J. Monitoring and forecasting of ionospheric space weather effects of geomagnetic storms / J. Lastovicka // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2002. V. 64. P. 697-705.

67. Lester M. Stereo CUTLASS A new capability for the SuperDARN radars / M. Lester, P. J. Chapman, S.W.H. Cowley et al // Annales Geophys. 2004. V. 22. P. 459-473.

68. Lewis, R. V. The relationship of HF radar backscatter to the accumulation of open magnetic flux prior to substorm onset / R. V. Lewis, M. P. Freeman, G. D. Reeves // J. Geophys. Res. 1998. 103, P. 26,613-26,619.

69. Lundborg B. Oblique sounding of an auroral ionospheric HF channel / B. Lundborg, M. Broms, H. Derblom // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1995. V. 57. №2. P. 51-63.

70. Lyons L. R. Substorms: Fundamental observational features, distinction from other disturbances and external triggering / L. R. Lyons // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. №A6. P. 13,011-13,025.

71. Milan S. E. Observation of the reduction in the available HF band on four high latitude paths during periods of geomagnetic disturbance / S. E. Milan, M. Lester, T. B. Jones, et al.// J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60. №4. P. 617-629.

72. Mirokhin A. M. The new Russian advanced digital ionosonde BIZON / A. M. Mirokhin, N. F. Blagoveshchenskaya, A. V. Shirochkov et al. // Ionosonde Network Advisory Group. INAG-60. Australia. 1994. P. 25-29.

73. Moffett R. J.The mid-latitude trough in the electron concentration of the ionospheric Flayer: a review of observation and modeling / R. J. Moffett, S. Quegan // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1983. V. 45. P. 315-343.

74. Ninsley B. A. Energetic neutral atom precipitation as a possible source of midlatitude F region winds / Ninsley B. A. // Geophys. Res. Lett. 1979. V. 6. №4. P. 291-293.

75. Ondoh T. Prediction of HF communications disturbances by pre-SC HF field increase on polar paths crossing the auroral zone / T. Ondoh, K. Obu // Solar-Terr. Predict. Proc. 1980. V. 4. P. D2-21 -D2-30.

76. Park C. G. A morphological study of substorm-associated disturbances in the ionosphere / C. G. Park//J. Geophys. Res. 1974. V. 79. №19. P. 2821-2827.

77. Pirog O. M. Effects of substorms in the night auroral E-region / O. M. Pirog., V. D. Urbanovich, G. A. Zherebtsov // 5th International Conference on Substorms. Abstr. St.-Petersburg. 2000. P. 545-547.

78. Prolss G. W. On explaining the local time variation of ionospheric storm effects / G. W. Prolss // Ann. Geophysicae. 1993. V. 11. P. 1-9.

79. Prolss G. W. Ionospheric storm effects at subauroral latitudes: a case study / G. W. Prolss, L. H. Brace, H. G. Mayr et al. //J. Geophys. Res. 1991. V. 96. N2. P. 1275-1288.

80. Rawer K. International Reference Ionosphere / K. Rawer, S. Ramakrishnan, D. Bilitza // Brussel. URSI. COSPAR. 1978. 78p.

81. Rietveld M. T. The Tromse dynasonde / M. T. Rietveld, J. W. Wright, N. Zabotin et al. // Polar Science. 2008. V. 2. P. 55-71.

82. Robinson T. R. First observation of SPEAR-induced artificial backscatter from CUTLASS and the EISCAT Svalbard radars / T. R. Robinson, T. K. Yeoman, R. S. Dhillon et al. // Annales Geophys. 2006. V. 24. P. 291-309.

83. Rodger A. S. Spread-F ionospheric irregularities and their relationship to stable auroral red arcs at magnetic mid-latitudes / A. S Rodger //J. Atmos. Terr. Phys. 1984. 46. № 4. P.335-342.

84. Rodger A. S. The poleward edge of the mid-latitude trough its formation, orientation and dynamics / A. S. Rodger, L. H. Brace, W. R. Hoegy et al. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. V. 48. No 8. P. 715-720, 1986.

85. Rodger A. S., Moffett R. J., Quegan S. The role of ion drift in the formation of ionisation troughs in the mid- and high-latitude ionosphere a review//J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1992. V. 54. №1. P. 1-30.

86. Rodger A. S. Studies of sporadic E (Es) assosiated with the main ionospheric trough / A. S. Rodger, C. Morrell, J. R. Dudney // Radio Sci. 1983. V. 18. №6. P. 937-946.

87. Rodger A. S. Geomagnetic storms in the Antarctic F-region. 2. Physical interpretation / A. S. Rodger, G. L. Wrenn, H. Rishbeth // J. Atmos. Terr. Phys. 1989. V. 51. P. 851-866.

88. Rostoker G. Magnetospheric substorms definition and signatures / G. Rostoker, S. I. Akasofu, J. Foster et ai. // J. Geophys. Res. 1980. V. 85. № A4. P. 1663-1668.

89. Ruohoniemi J. M. Convection dynamics of substorm onset observed by SuperDARN / J. M. Ruohoniemi, R. A. Greenwald // In Substorms 4 book of abstracts for the Forth International Conference on Substorms. Japan. Nagoya University. 1998. P. 177.

90. Ruohoniemi J. M. Drift motions of small-scale irregularities in the high-latitude F region: An experimental comparison with plasma drift motions / J. M. Ruohoniemi, R. A. Greenwald, K. B. Baker et al. // J. Geophys. Res. 1987. 92. P. 4553-4564.

91. Samson J. C. Goose Bay radar observations of earth-reflected AGWs in the high-latitude ionosphere / J. C. Samson, D. A. Greenwald, J. M. Ruohoniemi, et al // J. Geophys. Res. 1990. 95, P.7693-7709.

92. Siddle D. R. The time-of-flight and direction of arrival of HF radio signals received over a path along the mid-latitude trough: observations / D. R. Siddle, A. J. Stacker, E. M Warrington // Radio Science. 2004a. 39. RS4008. doi:10.1029/2004RS003049.

93. Stocker A. J. The effect of the mid-latitude trough on the direction of arrival and time-offlight of HF radio signals / A. J. Stocker, E. M. Warrington, N. Y. Zaalov // Acta Geod. Geoph. Hung. 2002. V. 37. P. 351-163.

94. Space Physics Interactive Data Resource (SPIDR) http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/

95. Thome G. D. First observation of RF backscatter from field-aligned irregularities produced by ionospheric heating /G. D. Thome, D. W. Blood // Rad. Sci. 1974. V. 9. P. 917-929.

96. Tsunoda R. T. High-latitude F region irregularities: A review and synthesis / R. T. Tsunoda //Rev. Geophys. 1988. 26(4). P. 719-760.

97. Wagner, L. S. Delay, Doppler, and amplitude characteristics of HF signals received over a 1300-km transauroral sky wave channel / L. S. Wagne , J. A. Goldstein, M. A. Rupar et al. // Radio Science. 1995. 30. P. 659-676.

98. Warrington E. M. Measurements of the Doppler and multipath spread of HF signals received over a path oriented along the mid-latitude trough / E. M. Warrington, A. J. Stocker // Radio Science. 2003. 38(5). P.1080, doi:10.1029/2002RS002815.

99. Yeh K. C. Global ionospheric effects of the October 1989 geomagnetic storm / K. C. Yeh, S. Y. Ma, K. H. Lin et al. // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № A4. P. 6201-6218.