УДК 621.396.2

ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЕСТЕСТВЕННО ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ

Антонов Владислав Васильевич1, Павлюк Дмитрий Николаевич1
1Северо-Кавказский гуманитарно-технический институт, кандидат технических наук, доцент

Аннотация
В статье произведен анализ зависимости электронной концентрации и ее пространственной флуктуации от высоты в ионосферно-спокойные дни. Определен подход к построению математической модели распределения электронной концентрации возмущенной ионосферы.

Ключевые слова: дискретно-диффузная многолучевость, диффузная многолучевость, естественное возмущение ионосферы, электронная концентрация ионосферы


APPROACH TO THE DEVELOPMENT MODEL OF THE DISTRIBUTION OF THE ELECTRON DENSITY OF NATURAL DISTURBANCES IONOSPHERE

Antonov Vladislav Vasilevich1, Pavljuk Dmitry Nikolaevich1
1North Caucasus Humanitarian and Technical Institute, Candidate of Technical Sciences, docent

Abstract
In the article the analysis of the dependence of the electron density and its pro-spatial fluctuations of the height in the ionosphere and calm days. Defined approach to the construction of a mathematical model of distribution of electronic con-centration disturbed ionosphere.

Keywords: diffuse multipath, discrete diffuse multipath, electron density of the ionosphere, natural disturbances of the ionosphere


Рубрика: Общая рубрика

Библиографическая ссылка на статью:
Антонов В.В., Павлюк Д.Н. Подход к разработке модели распределения электронной концентрации естественно возмущенной ионосферы // Исследования в области естественных наук. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2015/02/9004 (дата обращения: 27.01.2017).

Известно [1,2], что наибольшее влияние на качество декаметровой (ДКМ) связи при естественном возмущении ионосферы (ЕВИ) оказывают дифракционные и рефракционные свойства распространения декаметровой волны (РДВ) при ЕВИ. При этом, очевидно, что степень адекватности математической модели ДКМ канала связи (КС) реальным КС будет определяться наличием модели среды РДВ, наиболее полно отражающей процессы, происходящие в возмущенной ионосфере.

Следовательно, целью статьи является выбор подхода к построению искомой математической модели распределения электронной концентрации (ЭК) возмущенной ионосферы.

По современным представлениям [3,4,5] ионосфера занимает область высот атмосферы примерно от 60 до 1600 км. При этом в процессах распространения радиоволн принимают участие слои, расположенные на высотах от 60 и примерно до 500 км. Новейшие методы исследования ионосферы, включая геофизические ракеты, искусственные спутники Земли, использующие принципы некогерентного рассеяния радиоволн, позволили составить четкое представление о строении ионосферы. Эта картина довольно сильно отличается от той, которую рисовали себе исследователи прежних лет. Прежде всего теперь доказано, что в ионосфере нет отдельных дискретных слоев с четко выраженными максимумами ионизации, как это предполагалось раньше. Это скорее не максимумы, а отдельные уступы и области более медленного возрастания с высотой электронной концентрации. Современные представления о вертикальном разрезе через ионосферу в ионосферно-спокойные дни характеризует рисунок 1, на котором показана зависимость средней ЭК от высоты в дневные и ночные часы.

Собственно название "слой" в прежнем понимании можно только сохранить за областью F2. Остальные области (D, E и F1) представляют собой упоминавшиеся выше уступы или ступеньки. В ночные часы области D и F1 вследствие рекомбинации исчезают и остаются две достаточно четко рисующиеся области E и F2.

В возмущенные периоды картина существенно отличается от представленной на рисунке 1. Изменениям подвергается, главным образом, область F2 ионосферы. В главнейших чертах эти изменения сводятся к следующему [5,6]:

а) нарушается правильная структура этого слоя с четко выраженным максимумом, область ионизации разбивается как бы на ряд отдельных слоев и приобретает клочкообразное строение;

б) уменьшается (увеличивается) электронная концентрация;

в) увеличивается (уменьшается) высота расположения области F2.

Необходимо отметить, что микроструктура ионосферы определяется небольшими флуктационного характера отклонениями в распределении средней ЭК. Эти флуктуации носят непрерывный, случайный характер изменения ЭК как в пространстве так и во времени [6]. Вместе с тем, микроструктура ионосферы определяет структуру диффузной многолучевости, а следовательно, и качественные показатели ДКМ КС.

Основными факторами вызывающими возникновение флуктуаций ЭК являются [1,5,6]:

1) непостоянство во времени и пространстве ионизирующего потока;

2) изменчивость коэффициента рекомбинации ионосферы;

3) наличие в ионосфере процессов турбулентного перемешивания воздушных масс;

4) космическое излучение создаваемое при солнечных вспышках и свободно проникающее через верхние слои ионосферы.

При количественной оценке флуктуаций, как правило, исходят из результатов экспериментальных измерений с помощью специальных измерительных приборов. Таким образом, для реального отражения распределения ЭК невозмущенной ионосферы по высоте необходимо зависимость флуктуирующего значения ЭК в виде плавной кривой, подобной изображенной на рисунке 2, представить с наложенными на ней мелкими "зубчиками" [6]. Такая модель (см. рисунок 2) распределения флуктуирующей ЭК отображает реальное положение вещей, хотя и для ограниченного интервала времени.

Для разработки модели распределения ЭК и ее пространственных флуктуаций в неоднородностях при наличии естественных возмущений интуитивно можно предположить, что данная модель будет являться совокупностью моделей представленных на рисунке 1 и рисунке 2. При этом интервал приращений средней ЭК будет соответствовать значениям, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Шкала изменения коэффициента вариации критических частот слоя F2 ()

Таким образом, чтобы разработать модель распределения ЭК неоднородной возмущенной ионосферы и на ее основе объяснить характер изменения дискретно-диффузной многолучевости, определяющей качественные показатели однолучевого ДКМ КС, необходимо учесть следующие обстоятельства [1,5,6,7]:

  1. Известна [7] модель распределения ЭК с учетом влияния ионосферных неоднородностей при НИ (см. рисунок 2) и особенности проявления естественных возмущений;
  2. Распределение ЭК в НИ является совокупностью изменения по высоте ее среднего значения и пространственных флуктуаций в неоднородностях (см. рисунок 2)

    .

    (1)

  3. Среднеквадратическое отклонение (СКО) относительного значения флуктуаций ЭК по сравнению со средней ЭК , называемое интенсивностью неоднородностей , на высотах км примерно постоянно и определяется выражением вида

    .

    (2)

Тогда согласно (2) СКО абсолютного значения в слое F  намного больше, чем в поглощающих слоях D и E и возрастает по мере приближения к высоте h = hm с максимальной средней ЭК .
Следовательно, изменение средней ЭК слоя F2 при ЕВИ влечет за собой изменение пространственных флуктуаций ЭК в неоднородностях. С учетом этого обстоятельства, выражение (1) можно представить в виде

(2.3)

где - отклонение средней ЭК при ЕВИ от среднего значения ЭК в НИ,  - отклонения пространственных флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы при ее возмущениях.


Библиографический список
  1. Сомов А.М., Старостин В.В. Распространение радиоволн– М: Издательство «Гелиос АРВ», 2010 г. – 264 стр.
  2. Кураев А.А., Попкова Т.Л., Синицын А.К. Электродинамика и распространение радиоволн. – М: Издательство «Инфра-М», 2013 г. – 546 стр.
  3. Морозов А.В., Нырцов А.Н., Шмаков Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн. – М: Издательство «Радиотехника», 2007 г. – 408 стр.
  4. Панченко Б. А. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами. – М: Издательство «Радиотехника», 2013 г. – 264 стр.
  5. Зевакина Р.А. Ионосферные возмущения и их влияние на радиосвязь. / Ответственные редакторы Зевакина Р.А., Ляхова Л.Н. - М.: АН. СССР, 1971. - 239 с.
  6. Долуханов М.П. Флуктационные процессы при распространении радиоволн. - М.: Связь, 1971. - 183 с.
  7. Пашинцев В.П., Колосов Л.В., Тишкин С.А., Антонов В.В. Применение теории фазового экрана для разработки модели односкачкового декаметрового канала связи. // Радиотехника и электроника. 1996. том 41. №1, с.21-26.


Все статьи автора «pavlyukd»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: