§ 4.20. Исследование ионосферы методом некогерентного рассеяния

В основе рассмотренных выше методов исследования ионосферы лежит наблюдение за прохождением и отражением радиоволн и обработка этих наблюдений с использованием электрических параметров ионизированного газа, главным образом его относительной диэлектрической проницаемости. В действительности процесс взаимодействия радиоволны и частиц ионизированного газа более сложен. Каждый свободный электрон взаимодействует с падающей на него волной как элементарный точечный переизлучатель. В зависимости от соотношений между длиной волны, плотностью электронов и тяжелых частиц, скоростями их теплового движения переизлучение всей совокупности электронов может быть когерентным (отражение от слоя ионосферы при f < f_кр), частично когерентным (рассеяние на неоднородностях ионосферы) или некогерентным (рассеяние на отдельных электронах).

Метод некогерентного рассеяния основан на измерении мощности сигнала, рассеянного отдельными электронами. Рассматривая электрон как идеально отражающую сферу, вычисляют эффективное сечение рассеяния каждого электрона σ_э. Величина σ_э равна отношению рассеянной мощности Р_расс к плотности мощности падающей волны П_пад, не зависит от рабочей частоты и составляет весьма малую величину:

Рассеянный сигнал формируется электронами, находящимися в объеме ионизированного газа, облучаемом антенной измерительной установки. Если в облучаемом объеме V электроны распределены равномерно с плотностью N_э, то общее эффективное сечение этого объема

При заданном расстоянии мощность рассеянного сигнала пропорциональна электронной плотности рассеивающего объема:

Это позволяет, зная расстояние до рассеивающего объема и измерив мощность сигнала, вычислить электронную плотность на данной высоте. Наблюдение за некогерентным рассеянием ведут при помощи мощных радиолокационных станций. Расстояние до рассеивающего объема измеряют селекторным устройством, позволяющим выделить и измерить мощность сигнала, получаемую с заданного интервала расстояний. Меняя регулировку селектора, можно получить данные об электронной плотности по всей высоте ионосферы, где электронная плотность составляет более 10⁴ эл/см³, что соответствует интервалу высот 100÷600 км.

Коэффициент пропорциональности В определяют путем калибровки результата измерений N_э В точке максимума ионизации по данным наземной ионосферной станции. Некогерентное рассеяние имеет место на всех частотах, но если рабочая частота ниже собственной частоты ионизированного газа, то отраженный (когерентно рассеянный) сигнал имеет мощность, во много раз большую, чем мощность некогерентно рассеянного сигнала, и маскирует последний. С другой стороны, некогерентно рассеянные отражения можно различить только на частотах ниже некоторой частоты, определяемой скоростью теплового движения электронов.

Для исследования ионосферы на всех высотах можно применять, юты метрового Диапазон" (2÷6 м), а для области ниже 300 км и более короткие волны - вплоть до 25 см.

Исследование ионосферы методом некогерентного рассеяния только начинается. Для проведения измерений рассеянного сигнала требуется сложная и дорогая аппаратура: антенны с площадью излучающей поверхности примерно 300×300 м², передатчик мощностью порядка мегаватта, приемники с низким уровнем собственных шумов. В настоящее время во всем мире имеется не более десятка таких установок [13]. Достоинством метода некогерентного рассеяния является возможность проведения регулярных измерений электронной плотности вблизи и выше основного максимума ионизации.