F-рассеяние (F-jgvvyxuny)

Перейти к навигации Перейти к поиску

F-рассе́яние — ионосферное явление, заключающееся в том, что радиосигнал, отражённый от области F ионосферы, становится диффузным по причине её неоднородности, то есть теряет свою строго определённую структуру. F-рассеяние (F-spread, диффузность[1]) можно также встретить в литературе под следующими названиями[2][1]:

  • диффузные отражения;
  • множественные отражения;
  • мультиплеты;
  • рассеянные отражения.

Идентификация F-рассеяния

[править | править код]

Определение F-рассеяния

[править | править код]

F-рассеяние (F-spread) — явление, которое интерпретируется как рассеяние радиосигналов. Это явление обычно наблюдается при импульсном вертикальном зондировании ионосферы Земли. F‑рассеяние состоит в том, что у отражённого сигнала пропадает его первоначальная структура[3][4]:

  • частота сигнала размыта (диффузна) по сравнению с зондирующим импульсом и простирается на частоты выше критической;
  • продолжительность сигнала значительно больше, чем у зондирующего импульса.

F-рассеяние (F-spread) так названо потому, что обычно наблюдается при отражении радиосигнала от области F ионосферы, но рассеянные отражения можно наблюдать от всех слоёв ионосферы[5].

Понятие F-рассеяния — это не физический механизм, который вызывает явление F-рассеяния, это появление на ионограммах специфической размытости. Поэтому определение F-рассеяния нестрого, не корректно математически[5][4].

Обычно при F-рассеянии на ионограммах появляется много мультиплетов, или сопутствующих отражений, близких к основному отражению от слоя F и недостаточно отделённых от него[5][6].

Проявление F-рассеяния на ионограммах весьма разнообразно[5][4]:

  • по частотам:
  • по интенсивности, когда степень рассеяния меняется очень широко:

Наличие F-рассеяния легко определяют[7][6]:

  •  — критическая частота ионизированного слоя F2 (максимальное значение плазменной частоты для обыкновенной компоненты волны);
  •  — коэффициент распространения (где ,  — максимальная применимая частота сигнала, отражённого от ионосферы и падающего на землю на расстоянии 3000 км от источника излучения);
  •  — действующая высота ионизированного слоя F (наименьшая кажущаяся высота отражения),
в которых присутствие рассеянных отражений любой интенсивности обозначается символом F.

Классификация F-рассеяния

[править | править код]

1. Общая классификация делит F-рассеяние на три большие группы по широтномупризнаку по геомагнитной широте станции наблюдения[5][4]:

  • низкоширотное (экваториальное) F-рассеяние ― ниже 20° геомагнитной широты;
  • среднеширотное F-рассеяние ― от 20° до 60° геомагнитной широты;
  • высокоширотное (полярное) F-рассеяние ― выше 60° геомагнитной широты.

2. Общая классификация F-рассеяния неудовлетворительна, поскольку ионограммы, полученные в экваториальных областях, бывают очень похожи на ионограммы, зарегистрированные на полярных станциях. Поэтому часто используют высотно-частотную классификацию[5][6]:

  • при высотном F-рассеянии ионограмма диффузна на низких частотах из-за дополнительных отражений, в итоге:
  • при частотном F-рассеянии ионограмма диффузна на критических частотах, в итоге:
  • затруднён отсчёт кажущейся высоты;
  • затруднено или невозможно определение критических частот.

Оба типа F-рассеяния могут наблюдаться одновременно. Обычно отождествляют[5][6]:

  • высотное F-рассеяние с экваториальным;
  • частотное F-рассеяние со среднеширотным и полярным.

3. Следующие три классификации получились из детального обсуждения F-рассеяния. Наиболее распространена классификация по степени рассеяния. которая определяется специальным индексом по четырёхбалльной шкале или по таблицам , или непосредственно по ионограмма[7][8]:

  • 0 — полное отсутствие рассеяния;
  • 1 — очень слабое рассеяние, критическая частота слоя F2 легко определяется;
  • 2 — довольно значительное рассеяние, определение критических частот сомнительно, в таблицах перед величиной ставится символ ;
  • 3 — очень сильное рассеяние, критическая частота слоя F2 не определяется, обыкновенная и необыкновенная компоненты сливаются.

4. При исследованиях экваториального F-рассеяния используют десятибалльную шкалу, индексы которой зависят от высотного диапазона рассеяния на низких частотах[9][10]:

  • 0 — диапазон высот рассеяния до 6 км;
  • 10 — диапазон высот рассеяния 10—250 км и более.

5. При исследованиях полярного F-рассеяния выделяют пять основных типов рассеяния, каждый из которых включает ряд случаев[11][10]:

  •  — рассеянный тип;
  •  — вилообразный тип;
  •  — шпорообразный тип (характеризует рассеяние по частоте);
  •  — тип рассеяния по высоте;
  •  — облачный слой F.

Механизмы образования неоднородностей, приводящих к F-рассеянию

[править | править код]

Экваториальная ионосфера

[править | править код]

Существенный прогресс выяснения причин F-рассеяния определяется динамикой неустойчивости Рэлея — Тейлора, которая объясняет[12]:

  • подтверждённую экспериментом спектральную зависимость вида для интенсивных неоднородностей, где  — постоянная Больцмана;
  • появление неоднородностей с особенно малыми размерами , где  — масштаб (характерный размер) неоднородности поперёк геомагнитного поля.

Стандартная теория о формировании начальной неоднородности у основания области F с последующим распространением неоднородности на все высоты области F объясняется механизмом развития неустойчивости Рэлея — Тейлора. Роль начального агента могут играть внутренние гравитационные волны, что может объяснить связь между неоднородной структурой области F и движением нейтрального газа на меньших высотах, например, на уровне турбопаузы[12].

Неустойчивость Рэлея — Тейлора позволяет[12]:

  • объяснить появление среднемасштабных по экваториальных плазменных пузырей[англ.] (областей с обеднением плазмы);
  • построить очень простые модели их поведения;
  • объяснить и смоделировать набор маломасштабных по неоднородностей.

Среднеширотная ионосфера

[править | править код]

На средних широтах в принципе действуют те же физические механизмы, что и в экваториальной ионосфере. Но моделировать теоретически и численно неустойчивости сложнее[12]:

  • появляемость и интенсивность среднеширотного F-рассеяния ниже, чем экваториального;
  • более тяжело, чем на экваторе, объяснить возникновения неоднородностей.

Полярная ионосфера

[править | править код]

В авроральной области F возникновение F-рассеяния связано с градиентно-дрейфовой неустойчивостью, поскольку горизонтальные градиенты плазменной концентрации играют существенную роль в развитии неустойчивостей. Высокая наблюдаемость в полярных широтах F-рассеяния теоретически объяснима[12].

Примечания

[править | править код]