Радиолокационное исследование среднеширотной мезосферы в КВ диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Шлюгаев, Юрий Владимирович

• Шлюгаев, Юрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шлюгаев, Юрий Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЗОСФЕ-РЫ (обзор литературы)

1.1. Радиолокационные методы исследования мезосферы--------17

1.2. Механизмы рассеяния радиоволн в мезосфере

1.3. Явление летнего мезосферного эхо (МЛЭ)

1.3.1. Наблюдаемые характеристики МЛЭ

1.3.2. Существующие теории МЛЭ

II. МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОСФЕРНЫХ РАДИООТРАЖЕНИЙ

2.1. Задачи КВ зондирования мезосферы

2.2. Оценка чувствительности мезосферного КВ радара--------38

2.3. Методика определения скорости движения рассеивающей среды

2.4. Обработка сигналов в МСТ радарах

2.5. Определение диаграммы рассеяния неоднородностей и углов прихода отраженных сигналов

2.6. Методика проведения экспериментов с КВ радаром СУРА

2.6.1. Определение пространственно-временных и частотных свойств отраженных сигналов

2.6.2. Методика определения аспектной чувствительности

III. КОРОТКОВОЛНОВЫЙ РАДАР ДЛЯ МЕЗОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА БАЗЕ СТЕНДА СУРА

3.1. Радарные исследования на КВ радиокомплексе СУРА

3.2. Общая характеристика мезосферного КВ радара СУРА

3.3. Состав КВ радара СУРА

3.3.1. Передатчики радара СУРА

3.3.2. Антенна радара СУРА

3.3.3. Приемники радара СУРА

3.3.4. Система управления и сбора информации радара СУРА

3.4. Особенности радарного режима стенда СУРА

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЗОСФЕРНЫХ ЭХО

С ПОМОЩЬЮ КВ РАДАРА СУРА

4.1. Высотно-временные свойства меоосферных эхо

4.2. Суточный ход интенсивности мезосферных радио отражений

4.3. Сезонные изменения характеристик мезосферных КВ отражений

4.4. Спорадические летние отражения повышенной интенсивности от области мезопаузы

4.5. Сравнение результатов КВ зондирования мезосферы с результатами, полученными в УКВ и СВ диапазонах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиолокационное исследование среднеширотной мезосферы в КВ диапазоне»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Изучение явлений, происходящих в мезосфере, является одной из наиболее сложных и важных задач физики земной атмосферы. Первоначально интерес к летней мезосфере был связан с наблюдением серебристых облаков. Серебристые облака являются самыми высокими облаками на Земле и образуются в области самой низкой на Земле температуры атмосферы - в летней мезопаузе. Развитие физики заряженных аэрозолей, из которых состоят серебристые облака, привело к появлению новой области исследований, которая может быть названа физикой "пылевой плазмы".

Другой причиной для повышенного интереса к этой высотной области стало обнаружение аномально сильных отражений сигналов УКВ МСТ радаров на высотах мезопаузы в летние месяцы, которое было названо полярным мезосферным летним эхо (ПМЛЭ). Затем аналогичное явление было обнаружено и на более низких широтах и по аналогии названо мезосферным летним эхо (МЛЭ). Широкомасштабные исследования свойств и механизмов образования МЛЭ показали определяющее влияние заряженных аэрозолей на процесс его формирования.

Важным направлением является также исследование нейтральной и плазменной турбулентности в мезосфере с помощью мощных МСТ радаров.

Исследуемый в диссертации круг вопросов является частью интенсивно проводимых в России, США и Европе экспериментальных работ по изучению свойств мезосферных радиоотражений. В диссертации всесторонне проанализированы проведенные автором экспериментальные исследования мезосферных отражений в КВ диапа-

зоне в зависимости от времени суток и сезона.Это позволило провести систематизацию большого объема экспериментальных данных, полученных эа три года измерений, и может послужить хорошей основой для дальнейшего уточнения моделей процессов, происходящих в мезосфере.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование мезосферы радиолокационным методом в КВ диапазо-

1

не путем определения пространственно-временных, спектральных и других характеристик отраженных от области мезосферы сигналов, а также влияния сезонных и суточных изменений состояния средней атмосферы на эти характеристики.

Исследование проводится на основе анализа данных измерений характеристик мезосферных радиоэхо, сопоставления с другими известными методами исследования и моделями средней атмосферы.

Научная новизна работы заключается в следующем. Впервые в мире создан мезосферный радар КВ диапазона и проведены исследования мезосферы в этом диапазоне. Преимуществом КВ зондирования для исследования мезосферы является возможность наблюдать не только спорадические явления, как в УКВ диапазоне, но и фоновый уровень мезосферной турбулентности.

Большой массив полученных экспериментальных данных создает благоприятные условия для уточнения моделей динамических процессов в верхней атмосфере.

На основе анализа полученных данных показана перспективность радиолокационных наблюдений мезосферы именно в КВ диапазоне, как наиболее информативных.

Практическая ценность.

Разработанная и апробированная с помощью КВ радара на базе стенда СУРА методика экспериментального исследования свойств мезосферных радиоотражений позволяет вести непрерывный контроль состояния мезосферы и регистрировать его изменения, вызванные влиянием климатических, динамических и других факторов,

в том числе связанных с загрязнением окружающей среды.

1

Исследование свойств мезосферных радиоэхо в КВ диапазоне является мощным и эффективным дополнением к уже существующим радиометодам исследования мезосферы ( УКВ МСТ радары, метод частичных отражений и др. ) и имеет несомненные преимущества по оперативности и информативности.

На защиту выносятся:

1. Создание на базе стенда СУРА уникального мезосферного КВ радара, включающего в себя комплекс передающих и приемных средств, модернизированную антенную систему и гибкую систему управления и сбора экспериментальных данных.

2. Методика наблюдения и обработки результатов мезосферного зондирования с учетом особенностей помеховой обстановки в КВ диапазоне а также ограничений, накладываемых аппаратной частью радара.

3. Результаты исследования мезосферы радиолокационным методом в КВ диапазоне:

а) Обнаружение определяющего влияния ионизации мезосферы на суточный ход интенсивности радиоэхо, благодаря чему отражения наблюдаются в светлое для мезосферных высот время суток;

б) Обнаружение полугодовой вариации интенсивности мезосфер-ных КВ радиоотражений с максимумами в летний и зимний периоды и минимумами в весенний и осенний периоды;

в) Определение преобладающего турбулентного характера отражений от области мезопаузы ( 80-90 км ), в то время, как на меньших мезосферных высотах наблюдаются, как правило, френелевские отражения;

)

г) Определение типичного профиля вертикальной скорости в области мезопаузы в условиях развитых слоев, с преобладающим движением вверх в нижней части области вниз в верхней части.

4. Обнаружение спорадических мезосферных летних радиоэхо (МЛЭ) в КВ диапазоне, наблюдаемых в области мезопаузы и отличающихся повышенной интенсивностью, резким появлением и нисходящим движением.

5. Обнаружение тонкого стабильного турбулентного слоя на высоте около 82 км.

Личный вклад автора в проведении исследования выразился в следующем. В части проведения экспериментальных исследований при его непосредственном участии были разработаны требования к ме-зосферному КВ радару, создан ряд устройств радара и выполнены все основные измерения, результаты которых вынесены на защиту.

Разработка методики экспериментов, обработка и интерпретация данных измерений, как правило, проводилась совместно с научным руководителем А. Н. Караштиным.

Проведение экспериментальных исследований по локации мезосфе-ры для своего обеспечения требует обслуживания инженерного комплекса стенда СУРА коллективом сотрудников, без помощи которых

проведение представляемых экспериментальных исследований было бы невозможным.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 21-st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK,1995; Workshop on E-region instabilities, Lindau, Germany, 1995; XVIII Всероссийской конференции по распространению

радиоволн, С.-Петербург, 1996; 3 Международной школе по физике

t

плазмы ВОЛГА-1997, а также на научных семинарах НИРФИ

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее основное содержание.

В первом разделе диссертации представлен обзор радиолокационных исследований мезосферы.

В п. 1.1 кратко охарактеризованы основные методы радиолокационного исследования мезосферы. Рассматриваются исследование мезосферы МСТ радарами, метод частичных отражений, использование метеорных радаров. Использование радаров для исследования мезосферы основано на рассеянии радиоволн на флуктуациях показателя преломления. В МСТ радарах используется преимущественно рассеяние на турбулентных флуктуациях показателя преломления с характерным масштабом в половину длины волны радара. Обработка принятых сигналов в МСТ радарах позволяет получать подробную информацию о состоянии рассеивающей области.

Преимущество МСТ техники перед другими заключается в высоком разрешении и широком высотном интервале, позволяющем ис-

следовать такие мелкомасштабные и быстроперемещающиеся структуры, как гравитационные волны и турбулентность. Метод частичных отражений, в котором используются установки СВ диапазона и нижней части КВ диапазона, позволяет получать информацию о мезосфере, при наличии там достаточного уровня ионизации. Корреляционные методы, развиваемые в технике частичных отражений,

в последнее время применяются в УКВ МСТ радарах. Установки, ис-

/

пользующие метод частичных отражений, обладают невысоким пространственным разрешением, но позволяют получать информацию о всей области мезосферы. Метеорные радары используют рассеяние на ионизированных следах метеорных частиц, сгорающих в атмосфере на высотах 80-100 км. Недостатком метода является нерегулярность появления метеоров, что приводит к необходимости длительного накопления сигналов и сравнительно узкий высотный интервал, захватывающий только самую верхнюю часть мезосферы. Достоин-

о и

ством метода является возможность длительной непрерывной работы независимо от времени суток и состояния ионосферы.

В п. 1.2 рассмотрены механизмы рассеяния радиоволн в мезосфере: турбулентное рассеяние, френелевское отражение, отражение от периодических структур плотности электронов, которые могут возникать вследствие возбуждения плазменных неустойчивостей. Наблюдения показывают, что плазменная турбулентность существует в атмосфере начиная с высот, как правило, больше 70 км. Турбулентное движение нейтрального газа, существующее до высот тур-бопаузы (порядка 100 км) способно возбуждать плазменные неоднородности, на которых происходит рассеяние радиоволн. Френелевское отражение, возникающее на резких градиентах профиля пока-

зателя преломления, является более вероятным для радаров СВ диапазона, когда половина длины волны превышает внешний масштаб турбулентности. Особенностью френелевского отражения является узкая диаграмма рассеяния радиоволн в противоположность широкому угловому спектру при турбулентном рассеянии. Отражение от периодических профилей концентрации электронов способно объяснить повышенные уровни рассеянных сигналов УКВ радаров. Воз)

буждение плазменных неустойчивостей возможно в условиях летней мезопаузы, когда температура в ней понижается и становится возможным образование многозарядных аэрозольных частиц.

В п. 1.3 приведен обзор экспериментальных и теоретических исследований явления мезосферного летнего эхо (МЛЭ). Наблюдаемые летом повышенные уровни интенсивности рассеянных радиоволн УКВ диапазона от области мезопаузы в полярных районах и на средних широтах интенсивно исследуются с помощью МСТ радаров, лидаров, ракетных приборов. Результаты экспериментальных исследований и теоретические работы показывают определяющее влияние заряженных аэрозолей, присутствующих летом в области мезопаузы, на формирование МЛЭ.

Второй раздел диссертации посвящен изложению методики наблюдения мезосферных радиоотражений.

Сопоставление данных, полученных атмосферными радиолокаторами СВ и УКВ диапазонов показывают существенную зависимость свойств мезосферных отражений от длины волны. Отсутствие данных КВ диапазона приводит к разрыву в спектре исследуемых пространственных масштабов.

В п. 2.1 сформулированы задачи КВ зондирования мезосферы,

и

связанные с необходимостью восполнить пробел в исследованиях ме-зосферы между СВ и УКВ диапазонами. Новый диапазон открывает новые возможности для исследования механизмов рассеяния радиоволн, а также явления МЛЭ, связанного с присутствием заряженных аэрозолей в летней мезопаузе.

В п. 2.2 производится оценка чувствительности предполагаемого

КВ радара, созданного на базе стенда СУРА. На основании урав-

1

нения радиолокации показано, что чувствительность такого радара к мезосферной турбулентности не уступает чувствительности ведущих УКВ МСТ радаров.

В п. 2.3-2.5 описаны методики наблюдения мезосферных радиоотражений и обработки полученных данных. Существует два типа мезосферных радаров - допплеровский и использующий метод разнесенного приема. В допплеровском УКВ радаре для определения скорости и диаграммы неоднородностей рассеяния используются узкие наклонные лучи, которые трудно получить в КВ диапазоне ( нужны очень большие антенны ). Для КВ диапазона более удобным является метод разнесенного приема. Этот метод, предъявляющий более слабые требования к ширине диаграммы направленности антенны, раньше применялся в СВ радарах, а теперь используется и в УКВ МСТ радарах.

В п. 2.6 рассматривается методика экспериментов с КВ радаром на базе стенда СУРА. В п. 2.6.1 отмечено, что особенности КВ диапазона и оборудования, использованного для создания КВ радара оказывают влияние на выбор параметров излучаемого импульсного сигнала и обработку полученных данных. Более сложная помеховая обстановка в КВ диапазоне не позволяет применять достаточно ко-

роткие зондирующие импульсы, что негативно сказывается на разрешении КВ радара по дальности. Отражение и рассеяние сигналов КВ диапазона требует увеличения периода повторения зондирующих импульсов, что снижает временное разрешение. В п. 2.6.2 излагается методика определения углов прихода отраженных сигналов, использовавшаяся в экспериментах по КВ локации мезосферы. Высокий уровень шума в КВ диапазоне обусловил применение методики измерения эффективных углов прихода сигналов по разности фаз между сигналами 2-х приемных антенн. Данный метод обеспечивает высокую точность и может использоваться для определения ширины диаграммы рассеяния мезосферных неоднородностей.

В третьем разделе дается описание коротковолнового радара для мезосферных исследований на базе стенда СУРА. После краткой характеристики нагревного стенда, в п. 3.1 дан обзор радарных исследований, проводившихся ранее и проводимых в настоящее время на стенде СУРА. Начало этих исследований было связано с КВ локацией Луны, которая сейчас используется, как средство калибровки чувствительности радарной системы СУРА. Дальнейшие работы были связаны с локацией магнитосферной турбулентности и, в последнее время, солнечной короны и солнечного ветра.

В п. 3.2 дана общая характеристика мезосферного КВ радара на базе стенда СУРА, в создании которого самое непосредственное участие принимал автор. Приведена структурная схема установки, указаны ограничения, накладываемые используемым оборудованием стенда СУРА.

В п. 3.3.1.-3.3.4 более подробно изложены характеристики оборудования, входящего в состав КВ радара: передатчиков, антенной си-

стемы, приемников, системы управления и сбора информации.

В п. 3.4 рассмотрены особенности взаимодействия составных частей КВ радара.

В заключительном, четвертом разделе диссертации приведены результаты исследований мезосферы с помощью КВ радара на базе стенда СУРА.

В п. 4.1 рассматриваются высотно-временные свойства мезосфер-ных радиоэхо, которые были зарегистрированы во всех сеансах наблюдений. Наиболее сильные отраженные сигналы регистрировались от области мезопаузы (80-90 км), их основной особенностью является слоистая структура. Интенсивность этих сигналов менялась в широких пределах отношения сигнал/шум вплоть до 40 дБ. Характерные величины вертикальной скорости в несколько метров в секунду могли быть направлены как вверх, так и вниз. Измерение углов прихода отраженных сигналов показало, что, как правило, диаграмма рассеяния мезосферных неоднородностей выше 80 км шире, чем на меньших высотах.

В п. 4.2 приводятся результаты исследования изменения свойств мезосферных радиоотражений в течение суток. Достаточно очевидным является сделанный в данном пункте вывод о доминирующем влиянии на интенсивность мезосферных радио отражений ионизации этой области солнечным излучением.

В п. 4.3 приводятся результаты исследования сезонных изменений характеристик мезосферных КВ отражений. На основании сравнения высотно-временных зависимостей отраженных сигналов, полученных в разные сезоны, делается вывод о существовании в высотном интервале 82-84 км тонкого турбулентного рассеивающего слоя.

В п. 4.4 обсуждается возможная связь между летними радиоотражениями повышенной интенсивности в КВ диапазоне и УКВ МЛЭ. Свойства летних КВ от области мезопаузы напоминают свойства УКВ МЛЭ. И те и другие наблюдаются только в летние месяцы, имеют спорадический характер, характерным в обоих случаях является также нисходящее движение рассеивающих слоев. Отсутствие одновременных наблюдений, однако, не позволяет однозначно связать КВ и УКВ летние радиоотражения. В п. 4.5 проведено сравнение результатов КВ зондирования мезосферы с результатами, полученными в УКВ и СВ диапазонах. Результатом такого сравнения является вывод о необходимости дополнения КВ радарными наблюдениями наблюдений в других диапазонах.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Настоящая работа выполнена в Нижегородском научно - исследовательском радиофизическом институте в течение 1993 -1998 гг.

В заключение автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю А. Н. Караштину за общее руководство работой на всех ее этапах и демократизм в общении, В. О. Рапопорту и Н. А. Митякову - за полезные дискуссии, Г. П. Комрако-ву, В. В. Бычкову, И. Ф. Белову, В. И. Абрамову, Е. Б. Ерышеву, Л. Ф. Мироненко и другим соавторам и коллегам по работе - за плодотворное и полезное сотрудничество.

I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЗОСФЕРЫ

( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ )

Мезосфера, область атмосферы с понижающейся по мере роста высоты температурой, расположена между 50 и 90 км по высоте, выше стратосферы и ниже термосферы. Усредненный высотный профиль температуры атмосферы для средних широт приведен на рис. 1. Температура мезосферы зависит от многих факторов, и летом, особенно в полярных районах, может быть намного ниже средних значений [1].

В настоящее время наибольший интерес вызывают явления, происходящие в летней мезосфере на высотах порядка 80-90 км, что соответствует области мезопаузы. Первоначально этот интерес был обусловлен необычной физикой и химией аэрозольных образований на этих высотах и образованием там серебристых облаков. Серебристые облака являются самыми высокими облаками на Земле и образуются в области самой низкой на Земле естественной температуры газа 100° К). Изучение механизмов охлаждения газа, связанных с поглощением и переносом импульса гравитационных волн, привело к углублению понимания роли волновых процессов в переносе энергии и импульса в атмосфере. Развитие физики заряженных аэрозолей, из которых состоят серебристые облака, привело к появлению новой области исследований, которая может быть названа физикой "пылевой плазмы".

Наблюдаемые в мезосфере явления тесно связаны с климатически-

у о и

ми факторами, воздействием солнечной радиации и приливных сил, гравитационных волн, несущих энергию из наиболее энергонасыщенной области атмосферы - тропосферы, и многими другими фактора-

Температура ( К )

Рис. 1. Среднеширотный средний профиль температуры

атмосферы.

ми.

Прямое исследование мезосферы затруднено тем, что она расположена слишком высоко для использования традиционных метеорологических средств, таких как надувные шары-зонды и самолеты, и слишком низко для исследования искусственными спутниками Земли. Единственной возможностью непосредственного исследования свойств мезосферы является использование ракет. Поэтому дистанционное исследование свойств мезосферы приобрело особенно важное значение. Эти методы связаны с радиозондированием и, в последнее время, лазерным зондированием.

Возможность радиозондирования этой области связана с ее ионизацией солнечным излучением и рассеянием радиоволн на неодно-родностях электронной концентрации.

Актуальность радиозондирования мезосферы значительно возросла после того, как было обнаружено аномально сильное рассеяние сигналов ультракоротковолновых МСТ-радаров на мезосферных высотах, которое было названо ПМЛЭ (Полярное мезосферное летнее эхо) [2]. Затем аналогичное явление было обнаружено и на более низких широтах и названо МЛЭ (мезосферное летнее эхо) [3]. Интенсивное исследование этого явления с помощью радиометодов, пусков ракет, лидарных и оптических наблюдений, позволило получить большой объем экспериментальных данных о состоянии мезосферы.

1.1. Радиолокационные методы исследования мезосферы

Радиолокационное исследование мезосферы возможно, в основном, тремя методами: МСТ радарами, методом частичных отражений, метеорными радарами [4]. Обычно МСТ (мезосфера-стратосфера-тропосфера) радарами, с появлением которых значительно возро-

ела эффективность исследования атмосферных процессов, называют УКВ радары метрового и дециметрового диапзонов длин волн, однако определению радара, чувствительного к флуктуациям показателя преломления в мезосфере ( нижней ионосфере ) отвечают также и средневолновые радары . Применительно к локации мезосферы, которой посвящена данная диссертация, и УКВ и СВ радары, как будет

показано ниже, используют сходные принципы методики наблюдения

/

и обработки результатов, поэтому далее под мезосферными радарами будут подразумеваться и УКВ и СВ радары с указанием , где это необходимо, на конкретный диапазон.

УКВ МСТ радары способны получать отражения на высотах 1100 км. Эхо, приходящие от высот ниже, примерно, стратопаузы ( ок. 50 км ), возникают на неоднородностях показателя преломления нейтральной атмосферы с масштабом в половину длины волны радара, находящихся на этих высотах в инерционном интервале турбулентности. Эхо, возвращающиеся с больших ( мезосферных ) высот, и обычно видимые только днем, усиливаются благодаря свободным электронам, присутствующим на этих высотах.

Выбор частоты УКВ МСТ радара определяется необходимостью ослабить мешающие отражения от ионосферы и возможностью постройки антенны не слишком больших размеров с узкой диаграммой направленности. Сверху рабочая частота радара ограничивается условием соответствия половины длины волны радара инерционному интервалу турбулентности, нижняя граница которого ( внутренний масштаб ) растет с высотой. Поэтому большинство МСТ радаров работает на частотах вблизи 50 МГц. Более высокочастотные радары, как правило, не регистрируют отраженных сигналов от

мезосферы и называются СТ радарами.

Временное и пространственное разрешение МСТ радара изменяется в зависимости от чувствительности радара и высоты ( дальности ). Разрешение в несколько десятков метров и несколько секунд возможно при достаточно большом отношении сигнал/шум. При ослаблении сигнала или возрастании шума разрешение понижается до нескольких километров и десятков минут.

Использование МСТ радаров основано на рассеянии радиоволн на флуктуациях показателя преломления. Выделенный пространственный масштаб неоднородностей для обратного рассеяния составляет половину длины волны радара. Флуктуации возникают в основном благодаря атмосферной турбулентности, хотя существуют и другие процессы, вносящие вклад в специальных условиях. К ним относятся, в частности, стратификация атмосферы на тонкие слои за счет ветровых сдвигов и генерация ионизированных следов метеорными частицами.

Исследование атмосферы МСТ радарами основано на измерении спектральных характеристик радиоэхо. Моменты результирующего спектра представляют отраженную мощность, средний допплеров-ский сдвиг и ширину спектра. Эти параметры определяют интен-

у О и

сивность флуктуации, радиальную скорость рассеивающей среды и распределение скоростей внутри рассеивающего объема [5].

Преимущество МСТ техники перед другими заключается в высоком разрешении и широком высотном интервале. Временное разрешение МСТ на порядок лучше, чем у ракет и баллонов. Другие наземные средства (метеорные радары, лидары и т.п. ) имеют худшее временное разрешение или работают не на всех высотах. Высокая

разрешающая способность МСТ позволяет исследовать с их помощью не только основные свойства ветровых систем, как в большинстве других методов, но и такие мелкомасштабные и быстропереме-щающиеся структуры, как гравитационные волны и турбулентность в средней атмосфере.

Метод частичных отражений был первым из дистанционных радиометодов исследования О-области ионосферы. Основу метода, предназначенного в первую очередь для определения концентрации электронов в нижней ионосфере, составляет определение разности дифференциальных поглощений рассеянных радиоволн обыкновенной и необыкновенной поляризаций в магнитоактивной плазме [6].

Для зондирования этим способом используются радарные установки, работающие в средневолновом и нижней части коротковолнового диапазонов. В работе [7] указывается, что оптимальными в дневные часы при спокойной ионосфере являются частоты 2,5 - 3,5 МГц, понижение частоты ниже 2,5 МГц повышает точность измерения, но при этом увеличивается поглощение радиоволн и уменьшается принимаемый сигнал, а при повышении ионизации Б-области целесообразно увеличивать частоту до 4 - 6 МГц.

Развитием метода частичных отражений явилось измерение с его помощью скорости и направления ветра, а также ширины углового спектра обратно рассеянных радиоволн [8], [9], [10], [11]. Измерения скорости и направления ветра производились методом разнесенного

и и

приема рассеянных радиоволн и последующей корреляционной обработки.

В работе [12] обсуждаются эхо на частоте 2.66 мГц, свойства которых меняются вблизи высоты 80 км: более высокие эхо имеют более

широкии угловой спектр, чем расположенные ниже.

Использование метода полного корреляционного анализа позволяет определить так называемую истинную скорость.

Существует большое количество наблюдений гравитационных волн и приливных волн с помощью метода частичных отражений, изложенных в [13], [14].

Винсент и Рейд [15] использовали Допплеровский метод в средневолновом радаре для определения вертикального потока импульса гравитационных волн. Корреляционные методы, развиваемые в технике частичных отражений, в последнее время применяются и в УКВ МСТ радарах [16].

СВ радары, котрые используются для исследования ионосферы методом частичных отражений обладают невысоким пространственным и временным разрешением, кроме того применимость данного метода сильно зависит от уровня ионизации в нижней ионосфере.

Достоинством метода является широкий высотный интервал, захватывающий всю мезосферу.

Метеорные радары используют рассеяние на ионизированных следах метеорных частиц, сгорающих в атмосфере на высотах 80-100 км с максимумом в районе 95 км.

Частотный диапазон метеорных радаров составляет обычно 3050 МГц, что определяется теми же причинами, что и в МСТ- технике : желанием избавиться от мешающих отражений от ионосферы и необходимостью узкой диаграммы направленности антенны при не слишком больших размерах для обеспечения высокого пространственного разрешения. Чувствительность метеорных радаров как правило уступает чувствительности МСТ радаров.

Для определения координат и скорости метеорных следов применяются обычно наклонные лучи и допплеровский метод. Метеорный след представляет собой ионизированную колонну с плотностью электронов около 1012м-1 и имеет эффективный диаметр меньше, чем длина волны радара, поэтому отражение происходит когерентно от зоны Френеля вдоль трассы метеора. Метеорные следы с малым временем жизни (< 0.1с), считаются движущимися со скоростью ветра, и их локация позволяет получить высотные профили так называемого метеорного ветра [4]. Локация метеорных следов широко используется для исследования атмосферных волн на метеорных высотах [17], [18]. Недостатком данного метода является нерегулярность появления метеоров, что приводит к необходимости длительного накопления сигналов и сравнительно узкий высотный интервал, захватывающий самый верх мезосферы. Достоинством метода является возможность длительной непрерывной работы независимо от времени суток и состояния ионосферы.

1.2. Механизмы рассеяния радиоволн в мезосфере

Рассеяние и отражение радиоволн в атмосфере происходит из-за наличия неоднородностей показателя преломления. В области мезосферы наибольший вклад в образование таких неоднородностей вносят неоднородности электронной концентрации, существование которых связано с ионизацией данной области различными источниками. В зависимости от природы этих неоднородностей, в литературе рассматриваются несколько механизмов рассеяния и отражения радиоволн: турбулентное рассеяние, Френелевское отражение от резких градиентов профиля показателя преломления, рассеяние на

метеорных следах, отражение от периодических профилей плотности электронов, возникающих вследствие плазменных неустойчивостей.

Турбулентное рассеяние

Плазменная турбулентность существует в атмосфере начиная с высот, где происходит ее ионизация солнечным излучением, как правило, выше 70 км. В частности, по ракетным данным максимум флуктуации электрического поля всегда располагается до высот 90-100 км

1

[19; 20; 21].

Возбуждение плазменной турбулентности на высотах Е - слоя ( 105 -120 км ) происходит благодаря неустойчивостям, связанным с протеканием ионосферных токов. В области мезосферы подобные механизмы не работают [22]. С другой стороны, наблюдения показывают существование нейтральной турбулентности на высотах до 100 км ( турбопаузы ). Можно предположить, что плазменная турбулентность возбуждается турбулентностью нейтрального газа. Турбулентные движения в нейтральной атмосфере порождают флуктуации плотности электронов и ионов в ионосферной плазме.

Турбулентное движение имеет два характерных масштаба. Внешний масштаб Ьо имеет размеры порядка размеров области, в которой происходит турбулентное движение и определяется максимально возможным масштабом турбулентных вихрей, он слабо зависит от высоты, составляя в мезосфере величину порядка сотен метров [5]. Внутренний масштаб /о определяется наименьшим масштабом вихрей в турбулентном потоке, обусловленным влиянием вязкости. Определяющее влияние на этот масштаб оказывает плотность атмосферы, поэтому он растет с высотой. Характерный масштаб изменения /о определяется высотой однородной атмосферы. В мезосфере

внутренний масштаб турбулентности меняется примерно в 20 раз при изменении высоты от стратопаузы к мезопаузе и на уровне последней составляет величину порядка десятка метров [23]. Область между внешним и внутренним масштабами называется инерционным интервалом. В инерционном интервале происходит передача энергии от крупномасштабных вихрей мелкомасштабным практически без потерь. Энергия турбулентного движения переходит в тепло за счет вязкости в области масштабов, меньше внутреннего, называемой вязким интервалом, где интенсивность турбулентности быстро убывает.

Усредненный частотный спектр атмосферной турбулентности- Кол-могоровский в широком частотном интервале 10-4с-1 < ш < 1 с-1 [24; 25], соответствующем инерционному интервалу:

Интенсивность турбулентных пульсаций испытывает сезонные, суточные и другие вариации ( зависящие, например, от прохождения гравитационных волн ). В области масштабов менее 1 км турбулентность нейтральной атмосферы может считаться однородной и изотропной [26]. В этом случае, как известно, ее основной характеристикой является скорость диссипации турбулентной энергии

е и УЦЬ о

Здесь ^о и Уо максимальный масштаб и максимальная скорость однородной турбулентности. Внутренний масштаб турбулентности определяется соотношением [27]:

и = /хз/4е-1/4

где ¡1 - кинематическая вязкость.

Возбуждение нейтральной турбулентностью плазменной в инерционном интервале рассмотрено в [26] с учетом влияния магнитного поля Земли. Проведенные затем расчеты [28] показывают , что на высотах 85-95 км максимальное рассеяние радиоволн должно наблюдаться в КВ диапазоне на частотах / < 10 — 20 МГц, и сечение рассеяния очень быстро убывает с ростом частоты. Влияние магнитного

/

поля приводит к тому, что нейтральная турбулентность возбуждает плазменные неоднородности с различной анизотропией: от сильно вытянутых вдоль магнитного поля до изотропных и даже уплощенных в зависимости от степени замагниченности электронов, т.е. от высоты. Плазменные неоднородности становятся сильно вытянутыми вдоль магнитного поля на высотах > 95 км, и при вертикальном радиозондировании вне экваториальной области их сечение рассеяния резко уменьшается.

Френелевское отражение

Известно, что ветровые сдвиги в мезосфере способны вызывать в этой области стратификацию, приводящую к появлению резких градиентов в вертикальном профиле показателя преломления. Отражение от протяженных когерентных структур и резких градиентов профиля показателя преломления называется Френелевским отражением [23]. Также, как и турбулентное рассеяние, этот механизм способен вызывать отражение радиоволн как в нейтральной атмосфере, так и в ионосфере, особенно при вертикальном зондировании СВ радарами с большими длинами волн. Особенностью этого типа отражения радиоволн является узкая диаграмма рассеяния в противоположность широкому угловому спектру при турбулентном рас се-

янии [29].

Отражение от периодических профилей концентрации электронов

С другой сторны спектра рассеиваемых радиоволн, в его коротковолновой части, рассеяние на турбулентности, индуцированной турбулентностью нейтральной атмосферы, также не может объяснить рассеяние радиоволн УКВ радаров, поскольку их длина волны соответствует вязкому интервалу турбулентности в мезосфере. Пря-

1

мые измерения флуктуаций электронной плотности, проведенные в мезосфере с помощью ракетных приборов показали наличие неравновесных пульсаций электронной плотности при отсутствии интенсивной нейтральной турбулентности [30]. Объяснение такой ситуации возможно при условии возбуждения, вследствие плазменных не-устойчивостей, периодических неоднородностей электронной плотности. В случае пространственного синхронизма этих неоднордно-стей и зондирующей радиоволны должно наблюдаться резкое повышение интенсивности отражений при узкой диаграмме рассеяния[31; 32]. Мелкомасштабные плазменные неустойчивости, в том числе с масштабами, лежащими в вязком интервале нейтральной турбулентности, могут возбуждаться в летних условиях, когда температура в области мезопаузы понижается, и в ней становится возможным образование многозарядных аэрозольных частиц [33]. Механизм неустойчивости [31; 32], [34] связан с относительным движением легкой ( электроны и ионы ) и тяжелой ( аэрозоли ) заряженной фазы. Расчет рассеяния радиоволн на неоднородностях электронной плотности показывает хорошее согласие с экспериментальными данными УКВ радиозондирования [35]. Данный механизм расслоения плазмы позволяет объяснить также и наличие радиоэхо в условиях отсутствия

турбулентности нейтральной атмосферы.

1.3. Явление мезосферного летнего эхо ( МЛЭ )

Не вызывает сомнения, что в последние годы наиболее значительным событием в исследовании мезосферы явилось открытие аномального усиления летних УКВ радиоотражений от области мезопаузы в полярных районах ( ПМЛЭ ) и на средних широтах ( МЛЭ ), привлекших к себе внимание широкого круга исследователей. Комплексное исследование этого явления с помощью разнообразных дистанционных методов и ракетных приборов позволило получить большой объем информации о процессах, протекающих в мезосфере, что, в свою очередь, стимулировало теоретические исследования этой области атмосферы.

1.3.1. Наблюдаемые характеристики МЛЭ

1. Зависимость от географической широты .

МЛЭ наблюдались как на дальнем севере (Тготзо, Норвегия, 69,35° 14) [36], так и в средних широтах: в Германии (52°1Ч) [37], Уэльсе (52,4°1Ч) [38] и Японии (34,8°1Ч) [39]. Серебристые облака наблюдаются примерно в тех же районах, что и МЛЭ, поэтому естественно предполагать, что процесс летнего мезосферного похолодания, являющийся ключевым в образовании серебристых облаков, играет важную роль и в формировании МЛЭ. Хотя есть большой соблазн утверждать прямую связь между серебристыми облаками и радарными отражениями, совпадения один- в один не получается, поскольку есть наблюдения МЛЭ без серебристых облаков, а в [40] описан случай, когда серебристые облака присутствовали без МЛЭ; с другой стороны в [41] найдена слабая корреляция между наблюдениями МЛЭ

на Poker Flat и наблюдениями спутника UV, и есть данные о фиксации ракетным прибором серебристых облаков вблизи рассеивающего объема радара CUPRI, который также регистрировал одновременно МЛЭ [42].

2. Структура и изменчивость.

Данные Poker Flat показывают, что МЛЭ существуют в слое между 80 и 93 км с максимумом около 86 км. [43]. Эта статистика очень

i

похожа на данные 53,5 МГц SOUSY-радара в Андоя, Норвегия [44] и других. Для сравнения, средняя высота мезопаузы, измеренная вблизи SOUSY-рассеивающего объема летом 1987 года, незначительно выше 88 км [45]. Средняя высота серебристых облаков составляет 83 км [46], т.е. все три полярных явления близки по высоте. Флуктуации отраженной мощности с периодом минута и меньше обычно не являются одновременными на разных высотах, и, следовательно, не вызываются высыпаниями частиц [2]. Полусуточные вариации в мощности отражений были исследованы в [44]. Суточные вариации в интенсивности отражений также наблюдались в [47] при долговременном усреднении, которое показало значительный провал в мощности отраженных сигналов около 22 ч. местного времени.

3. Зависимость от частоты радара.

Поскольку внутренний масштаб турбулентности нейтрального газа на высотах мезопаузы имеет порядок десятков метров, было достаточно удивительно, что 50 МГц радар (рассеивающая длина Брэгга - Зм ) может регистрировать столь мощные эхо от мезосфе-ры. Когда EISCAT 224- МГц радар зафиксировал ПМЛЭ это было еще более удивительно, хотя и предполагалось в [48]. Затем наблюдения ПМЛЭ были сделаны на EISCAT 993- МГц радаре [49] и на

ЗопЛегв^гт 1,29 ГГц радаре [50], что было уже совсем маловероятно. Одновременные наблюдения с помощью СИРШ на 46,9 МГц и Е1БСАТ на 224 МГц показали, что временное поведение и пространственная структура ПМЛЭ на этих частотах очень похожи [49; 51], что позволяет сделать вывод об одинаковых механизмах рассеяния радиоволн на этих частотах. Следует отметить, что одновременные,

в одном месте наблюдения 2,78-мГц радара и Е18САТ-224 МГц рада-

1

ра показали отсутствие корреляции между отраженными сигналами двух систем [52]. Типичные значения объемных сечений рассеяния для мезосферы составляют [35]:

Тип Объемное сечение

50-МГц МЛЭ 10-12м-1

224-МГц МЛЭ 10-16м-1

933-МГц МЛЭ 10-18м-1

Не - полярно - летнее Ю-18 — 10~19м-1

эхо на УКВ

При наблюдении в коротковолновом диапазоне (7-9 МГц) на стенде СУРА [53] сечение рассеяния составило величину порядка 10-11м-1.

4. Ширина спектра.

Одним из первых результатов при обобщении спектральных данных по ПМЛЭ является то, что спектральная ширина была слишком узкая для классического некогерентного рассеяния в метровом [2] и дециметровом [49] диапазонах волн. Таким образом, ПМЛЭ является когерентным отражением с этой точки зрения, также, как с точки зрения интенсивности отражений. Ширина спектра радиоэхо может содержать информацию относительно механизма рассеяния. Френе-

левское отражение в основном дает более узкий частотный спектр, чем турбулентное рассеяние и означает горизонтально-когерентную среду. Наблюдения на ЕКСАТ [54], БОТ^У [44] и СОТШ [55] радарах показывают маленькую корреляцию между мощностью отражений и спектральной шириной, что означает, что влияние турбулентности на интенсивность МЛЭ не является доминирующим.

5. Зависимость от угла наклона луча ( аспектная чувствительность).

В работе [56] отмечено, что уровень рассеянного сигнала на 50 МГц уменьшается при отклонении луча от вертикали. Поскольку имеет место зависимость интенсивности от угла наклона, это значит что рассеивающие структуры анизотропны, т.е. стратификация играет важную роль в формировании МЛЭ - слоев.

6. Сравнение с ракетными измерениями.

Первые измерения ракетами электронной концентрации одновременно с радарами [57] дали два важных факта относительно природы МЛЭ: Во-первых, концентрация электронов имела, фактически, структуру с масштабом меньше вязкой границы для нейтрального газа [58]; [59], в отличие от случая не летней мезосферы [60] или экваториальной мезосферы [61] где флуктуации электронной концентрации быстро убывают за вязкой границей. Во-вторых, резкие провалы электронной концентрации часто соответствуют высотам эхо-слоев [58; 62]. Мощность отраженного сигнала, подсчитанная непосредственно по ракетным данным спектра флуктуаций электронной концентрации с использованием теории изотропного турбулентного рассеяния, достаточно хорошо согласуется с результатами измерений радаров [57]. Отсюда следует, что электроны ведут себя не как

пассивная примесь нейтрального газа, как считалось ранее. Можно предположить, что провалы электронной плотности обусловлены наличием заряженных аэрозолей, которые "выкачивают" свободные электроны из окружающего пространства. Отсюда следует, что заряженные аэрозоли являются важным фактором формирования радиоэхо.

7. Средняя вертикальная скорость.

I

Теория атмосферной циркуляции [63], предсказывает для летней мезосферы движение вверх со скоростью примерно 1 см/с, меридиональный ветер, направленный к экватору, а зональный - на запад [64]. Направление ветра, наблюдаемое радарами, соответствует предсказанному, однако восходящий поток зарегистрирован не был [65], напротив, средняя вертикальная скорость летом направлена вниз (около 20 - 30 см/с) [66; 67]. Зимой же ситуация меняется на обратную, т.е. вместо движения вниз наблюдается движение вверх.

1.3.2. Существующие теории МЛЭ

Из вышеизложенного следует, что основной проблемой при интерпретации МЛЭ является поиск источника достаточно интенсивных плазменных неоднородностей, которые удовлетворяли бы условию Брэгга на частоте зондирования. Для объяснения больших сечений рассеяния существуют два подходящих механизма, о которых уже упоминалось в первой части - это рассеяние на турбулентных флуктуациях плотности электронов и Френелевское рассеяние на резких градиентах электронной концентрации. До открытия МЛЭ общепринятым был подход, что электронная турбулентность является копией нейтральной турбулентности с колмогоровским спектром [23]. Однако такое объяснение для МЛЭ не годилось, т.к. требова-

ло слишком больших интеисивностей нейтральной турбулентности, которые в природе не наблюдались. Кроме того, ракетные пуски показали наличие неравновесных пульсаций электронной плотности при отсутствии интенсивной нейтральной турбулентности и одновременное присутствие электронной и нейтральной турбулентности для двух соседних слоев ПМЛЭ [30]. Исходя из этого можно предполагать, что существуют два основных типа формирования МЛЭ: (1)

!

Возбуждаемые нейтральной турбулентностью и (2) вызванные собственно плазменной турбулентностью, возбуждающейся и в отсутствие турбулентности нейтрального газа. Главное свойство МЛЭ, которое должно быть объяснено теорией - это повышенный уровень интенсивности отражений. Поскольку рассеяние радиоволн происходит на неоднородностях электронной плотности, а диффузия постоянно уменьшает интенсивность неоднородностей, то логично предположить, что повышение уровня соответствует смещению баланса между генерацией неоднородностей и диффузией в сторону генерации. Таким образом, повышенное значение сечения рассеяния возможно как благодаря повышению генерации, так и понижения диффузии, или и того и другого вместе. Возможное объяснение первого типа ПМЛЭ предложено в работе [33], где, следуя идеям [48] показано, что существенное уменьшение электронной диффузии возможно в присутствии большого количества заряженных ледяных частиц или кластер-ионов. В [33] также показано, что если турбулентность нейтрального газа является генератором флуктуаций плазмы, то приемлемый уровень турбулентности совместно с пониженной диффузией может объяснить наблюдаемые интенсивности ПМЛЭ. Клостермей-ер [68] применил эту идею для модели высотного распределения ионов

и частиц льда и показал возможность формирования двух максимумов профиля мощности, отстоящих на несколько километров по высоте, что часто наблюдается в летней мезосфере. Существование второго типа ПМЛЭ показывает, что нейтральная турбулентность не может быть единственным источником флуктуаций электронной плотности. Это подтверждается и тем, что мезосферные отражения могут иметь малую ширину Допплеровского спектра и высокую

I

степень анизотропии. Альтернативными механизмами для генерации электронных неоднородностеи являются: рассеяние на дырках в пылевом слое [69], опалесценция [31; 32] и диффузионные волны заряженного аэрозоля [70]. " Дырки " в пылевом слое образуются в присутствии горизонтальных вихрей, помещенных в поле падающих заряженных пылинок или частиц льда. В некотором интервале скоростей падения пыли и вращения вихря могут существовать "запрещенные" области внутри вихрей, куда частицы аэрозоля не могут проникнуть. В этих условиях появятся резкие градиенты в концентрации аэрозоля на стенках вихрей. Для того, чтобы этот механизм работал, необходимо выполнение четырех условий: заряженные аэрозоли должны преобладать в плазменном балансе ионизации, масштабы вихрей должны быть согласованы с Брэгговским масштабом радара (половина длины волны для моностатического радара), характерное время диффузии плазмы должно намного превышать период вращения вихря и вихри должны, разумеется, существовать в нейтральной атмосфере. Опалесценция предусматривает генерацию неоднородностей за счет плазменных неустойчивостей при встречном движении электронов и ионов относительно заряженных аэрозолей, когда более легкие электроны и ионы увлекаются восходящим

движением воздуха, а более тяжелые аэрозоли опускаются вниз под действием силы тяжести. Возникающие при этом неоднородности плотности электронов способны эффективно рассеивать радиоволны УКВ диапазона [34]. Волны вязкости могут генерироваться, когда атмосферные гравитационные волны отражаются от разрывов в среде. В работе [71] предложен механизм рассеяния на волнах вязкости для объяснения аспектно - чувствительных, френелевского типа от-

I

ражений для атмосферно-тропосферных радарных данных [70]. Механизм состоит в том, что гравитационные волны частично отражаются от областей с быстро меняющимся температурным градиентом и, проходя критический уровень, создают волны вязкости, на которых рассеиваются радиоволны. Диффузионные волны заряженного аэрозоля возбуждаются волнами вязкости нейтрального газа, но не затухают также быстро, поскольку диффузия плазмы подавляется в присутствии заряженных аэрозолей. Ключевым параметром при этом является вертикальная длина волны возбуждаемых волн вязкости, которая имеет масштаб /х1/2/^1/2, где // - кинематическая вязкость, а и - частота возбуждающей волны. Поскольку /х возрастает с высотой, то в зависимости от высотного диапазона и длины волны радара, приходится привлекать различные частоты гравитационных и инфразвуковых [70] волн для объяснения обратного рассеяния.

И. МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОСФЕРНЫХ РАДИООТРАЖЕНИЙ

Проводившиеся до сих пор радиолокационные исследования мезо-сферы выполнялись в УКВ и СВ диапазонах длин волн. Брэгговская длина волны в этих случаях соответствовала либо вязкому интервалу (на УКВ), либо была порядка внешнего масштаба (для СВ) нейтральной турбулентности на высотах мезопаузы. Измерений в области инерционного интервала нейтральной турбулентности до сих пор не производилось.

Сопоставление данных, полученных атмосферными радиолокаторами СВ и УКВ диапазонов показывает существенную зависимость свойств мезосферных отражений от длины волны. Отсутствие данных КВ диапазона приводит к разрыву в спектре исследуемых пространственных масштабов и не позволяет достоверно определять соответствующие зависимости параметров мезосферных процессов. Это прежде всего относится к наблюдениям МЛЭ: в УКВ диапазоне они присутствуют, а в СВ диапазоне - отсутствуют. КВ диапазон предоставляет возможность исследования переходной области между масштабами неоднородностей, на которые оказывают влияние специфические условия летней мезосферы ( УКВ диапазон) и масштабами, не подверженными такому влиянию ( СВ диапазон ).

Как уже говорилось, рассеяние радиоволн КВ диапазона происходит на неоднородностях показателя преломления с масштабами, соответствующими инерционному интервалу нейтральной турбулентности, который является наиболее существенной ее областью и обеспечивает более высокий, по сравнению с УКВ, уровень отраженного сигнала.

Таким образом, радиолокационные исследования мезосферы в КВ диапазоне позволят восполнить пробел между СВ и УКВ диапазонами.

Методика радиолокационных наблюдений мезосферы в КВ диапазоне определяется поставленными задачами и в основном соответствует хорошо разработанным методикам УКВ МСТ радаров с учетом особенностей КВ диапазона и используемого оборудования.

2.1. Задачи КВ зондирования мезосферы

1. Влияние турбулентности на распространение радиоволн в атмосфере исследуется теоретически и экспериментально довольно давно. Считается общепризнанным, что наибольший вклад в рассеяние радиоволн на высотах мезопаузы вносят неоднородности концентрации свободных электронов, т.е. плазменная турбулентность. Как показано в ряде работ, одним из источников плазменной турбулентности может являться нейтральная турбулентность на высотах мезопаузы, существование которой подтверждается прямыми ракетными измерениями. Проведенные в [26] расчеты показывают, что максимальная интенсивность рассеянных сигналов ожидается в этом случае в КВ диапазоне. Исходя из этого положения следует ожидать, что отражения от области мезопаузы в КВ диапазоне будут наблюдаться более регулярно, чем в УКВ диапазоне.

2. Наиболее значительным достижением в исследовании мезосферы радиолокационными методами явилось обнаружение мезосфер-ных летних эхо - резкого увеличения интенсивности отражений от области мезопаузы в летние месяцы. По современным представлениям, необходимыми условиями для появления отражений с повышенным уровнем мощности необходимо присутствие в мезосфере заря-

женных аэрозолей. Аэрозоли в мезосфере могут появляться в летние месяцы благодаря тому, что температура в летней мезопаузе значительно понижается. Распространяющееся от полюса к экватору летнее мезосферное похолодание вызывает появление аэрозольных образований: мезосферных и серебристых облаков, которые являются индикатором глобального влияния человеческой деятельности

на состав атмосферы, поскольку по современными представлениям,

/

частота их появления пропорциональна загрязнению окружающей среды. Граница распространения серебристых облаков движется в меридиональном направлении от полюса к экватору весной и обратно осенью. Наблюдение динамики распространения мезосферных облаков позволило бы судить о смене сезонного типа глобальной атмосферной циркуляции.

Представляет большой интерес и исследование процессов, связанных с влиянием аэрозоля на формирование рассеянных мезосферой сигналов в новом, КВ диапазоне, т.е. в инерционном интервале нейтральной турбулентности. Это связано с возможностью экспериментальной проверки в новом диапазоне пространственных масштабов основных положений существующих теорий, посвященных влиянию заряженных аэрозолей на рассеяние радиоволн в мезосфере. Такая возможность обусловлена более высокой чувствительностью КВ радара к изменению уровня турбулентности, что должно способствовать изучению предварительных и начальных стадий развития отражений повышенной интенсивности и оценке характерных времен этого процесса.

3. Наличие в мезосфере и особенно вблизи мезопаузы сильных ветровых сдвигов может вытягивать турбулентность в достаточно

тонкие горизонтальные слои. Поскольку ветровые сдвиги ассоциируются обычно с процессами распространения гравитационных волн, то области образования турбулентности, связанные с максимальными градиентами профиля скорости ветра, должны смещаться по высоте при прохождении волн, что может быть обнаружено путем измерения вертикальной скорости движения турбулентных слоев.

Высокий энергетический потенциал КВ радара который работа-

I

ет в инерционном интервале турбулентности на высотах мезопаузы, позволяет проводить исследования возникновения и развития турбулентности при наличии волновых процессов. Возникает ли турбулентность при прохождении гравитационных волн, как влияют вертикальные градиенты скорости при распространении ВГВ на формирование турбулентности, распространение и разрушение ВГВ вблизи мезопаузы - эти вопросы могли бы быть разрешены при наличии достаточно широкого высотного интервала наблюдений, не ограниченного тонким слоем вблизи мезопаузы, как у УКВ МСТ радаров.

4. Важной характеристикой отраженных сигналов является угловая зависимость отраженной мощности - диаграмма рассеяния. Вид диаграммы рассеяния позволяет судить о степени анизотропии не-однородностей показателя преломления, на которых происходит рассеяние радиоволн, что в свою очередь позволяет уточнить механизм образования этих неоднородностей, поскольку для рассеяния на турбулентности характерна широкая диаграмма, а при рассеянии Фре-нелевского типа угловой спектр может быть очень узким.

2.2. Оценка чувствительности мезосферного КВ радиолокатора

Для решения поставленных в п. 2.1. задач необходимо иметь соответствующий инструмент - мощный КВ радар и соответствующие

методики наблюдения и обработки полученных данных.

Данный раздел посвящен выработке требований к параметрам радара и оценке возможностей использования для создания такого радара оборудования стенда СУРА.

Расчет чувствительности радиолокатора предполагает запись уравнения радиолокации, которое определяет соотношение между мощностью, излучаемой передатчиком и мощностью, поступающей на

I

вход приемника. Вид уравнения радиолокации зависит от характера цели. При этом можно различать ( для исследований мезосферы ) три случая : 1) рассеяние на распределенных по объему зондирования неоднородностях; 2) Френелевское отражение от плоских скачков электронной концентрации; 3) рассеяние на метеорных следах.

Уравнение радиолокации для равномерно распределенных по объему случайных неоднородностей ( рассеивателей ) дано в работе [72]:

р = а2РгАеАг Г 47Г г2 ^

где а; - КПД антенны, Р1 - пиковая излучаемая мощность, Дг — ст/2 (где г - длительность импульса)-разрешение по дальности, г - дальность и ц-объемное сечение рассеяния. Ас-геометрическая площадь антенной решетки при вертикальном зондировании и Ае = Асоз(х), если ^-зенитный угол.

Для отражений Френелевского типа от горизонтально - однородных протяженных структур, приближенное уравнение радиолокации

приведено в [73]:

Рг =

где \р21 - коэффициент отражения по мощности и Л - длина волны

радара.

Для отражения от метеорных следов, которые имеют вид цилиндрического увеличения концентрации заряженных частиц выражение для рассеянной мощности приведено в [29]:

где сге - сечение рассеяния электрона, де - линеиная плотность электронов в метеорном следе.

Одновременно с полезным сигналом на вход приемника радиолокатора поступает сигнал помехи. Помехи обусловлены космическим шумом, шумом входного усилителя приемника и другими источниками помех - грозовыми разрядами, работой промышленных установок, работой радиостанций и т.д. Обычно нешумовые помехи являются нестационарными и их учет затруднен. Шумовые помехи лучше поддаются описанию, поскольку являются, как правило, стационарными.

Обнаружение отраженного сигнала возможно, если на выходе приемника его мощность превышает мощность флуктуаций помехи. От-

ношение мощностей сигнала и помехи, прошедших через приемник, называется отношением сигнал/шум. В работе [ 74 ] отношение сиг-

Рг =

*2РгА2е

4Д2Г2

<?еЯе

нал/шум определено в терминах Sr ( амплитуда спектрального пика принятого сигнала после усреднения) относительно ASn ( уровень флуктуации шума после усреднения ). В результате, для распределенных целей получилось следующее выражение [74]:

Sr = PtAeFiFiArria2^

Д£п ~ 8тгч/2г2ЦГв + acTc)6f

/

здесь Pt - средняя излучаемая мощность, Ае - эффективная площадь антенны, F\ - потери мощности во входном фильтре, F2 - потери мощности в процессе когерентного усреднения, щ - количество некогерентных усреднений спектра, кь - постоянная Больцмана ( 1.38 • Ю-23 Дж/К ), Та - шумовая температура системы, Тс - температура космического шума на выходе антенны, Sf - ширина полосы сигнала, а - КПД антенны.

Из выражения для отношения сигнал/шум в работе [57] получено следующее выражение для коэффициента объемного рассеяния:

= 2тгс&ь(Гд + aTc) (jr_\2 S_ 77 PtAea2Fi UrJ N

где Fi - количество когерентных усреднений, S/N - отношение сигнал/шум.

Для сравнения чувствительностей УКВ МСТ радаров и радара, который может быть создан на базе стенда СУРА, воспользуемся таблицей 1 , в которой приведены данные МСТ радаров Poker Flat из [57], Sousy VHF из [75] и основные параметры стенда СУРА [53].

Параметры УКВ МСТ радаров Poker Flat и SOUSY VHF и KB радара СУРА

Poker Flat SOUSY VHF СУРА

Рабочая частота 49.92 мГц 53,5 МГц 8-9 МГц

Разрешение (дг) 300 м 300. 3000 м 3000 м

Шум системы (Тб) 400°К 400°К —

Космический шум (Тс) 4000°К 4000°К 50 3-10 к

КПД антенны (л) 0,65 0.65 0,65

Эффективная площадь 3-Ю4 м 3 -103 м 9 -104 м

антенны (Ае) 3 -Ю4 м

Пиковая мощность (РЦ 1,46-106 Вт 6 -105 Вт 7,5-105 Вт 2.5 Ю5 Вт 5 • 104 Вт

Число когерентных усреднений (РО 32 — —

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Шлюгаев, Юрий Владимирович

3. Результаты исследования мезосферы радиолокационным методом в КВ диапазоне: а) Обнаружение определяющего влияния ионизации мезосферы на суточный ход интенсивности радиоэхо, благодаря чему отражения наблюдаются в светлое для мезосферных высот время суток; б) Обнаружение полугодовой вариации интенсивности мезосферных КВ радиоотражений с максимумами в летний и зимний периоды и минимумами в весенний и осенний периоды; в) Определение преобладающего турбулентного характера отражений от области мезопаузы ( 80-90 км ), в то время, как на меньших мезосферных высотах наблюдаются, как правило, френелевские отражения; г) Определение типичного профиля вертикальной скорости в области мезопаузы в условиях развитых слоев, с преобладающим движением вверх в нижней части области вниз в верхней части.

4. Обнаружение спорадических мезосферных летних радиоэхо ( МЛЭ ) в КВ диапазоне, наблюдаемых в области мезопаузы и отличающихся повышенной интенсивностью, резким появлением и нисходящим движением.

5. Обнаружение тонкого стабильного турбулентного слоя на высоте около 82 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. Создание на базе стенда СУРА уникального мезосферного КВ радара, включающего в себя комплекс передающих и приемных средств, модернизированную антенную систему и гибкую систему управления и сбора экспериментальных данных.

2. Методика наблюдения и обработки результатов мезосферного зондирования с учетом особенностей помеховой обстановки в КВ диапазоне а также ограничений, накладываемых аппаратной частью радара.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шлюгаев, Юрий Владимирович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Schmidlin, F. J., First observation of mesopause temperatures lower than 100 К // Geophys. Res. Lett., 1992, V. 19, P. 1643-1647.

2. Rottger, J., La Hoz, M. C. Kelley, U.-P. Hoppe, and C. Hall, The structure and dunamics of polar mesosphere summer echoes observed with the EISCAT 224-MHz radar // Geophys. Res. Lett., 1988, V. 15, P. 1353-1356.

3. Thomas, L. I., Astin and I. T. Prichard, The characteristics of VHF echoes from summer mesopause region at mid-latitudes // J. Atmos. Terr. Phys., 1992, V. 54, P. 969-977.

4. Kato, S., Historical Aspects of Radar Atmospheric Dynamics // Handbook for MAP, 1989, V. 30, P. 1-18.

5. Woodman, R. F. and Guillen, A. Radar observation of winds and turbulence in the stratosphere and mesosphere // J. Atmos. Sci., 1974, V. 31, P. 493-505.

6. Belrose, J. S. Radio wave probing of the ionosphere by the partial reflection of radio waves //J. Atmos. Terr. Phys., 1970, V. 32, P. 567596.

7. Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Вяхирев В. Д., Гоначаров Н. П., Гршнкевич Л. В. О погрешностях определения концентрации электронов в D-области ионосферы методом частичных отражений. // Геомагнетизм и аэрономия, 1983, т. XXIII, N2, с. 202-207.

8. Manson, А. Н., J. В. Gregory, and D. G. Stephenson. Winds and wave motions (70-100 km) as measured by a partial reflection radiowave system // J. Atmos. Terr. Phys., 1973, V. 35, P. 2055-2067.

9. Stubbs, T. J. The measurments of winds in the D-region of the ionosphere by the use of partially reflected radio waves. //J. Atmos.

Terr. Phys. 1973, V. 35, P. 909-919.

10. V. V. Belilkovich, E. A. Benediktov, N. P. Goncharov, L. V. Grishkevich and V. P. Vyakhirev. A study of the winter-time D-region using the partial reflection technique //J. Atmos. Terr. Phys., 1986, V. 48, N11-12, P. 1241-1245.

11. Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Вяхирев В. Д., Гончаров

Н. П., Г]ришкевич JI. В. Ветровой режим и неоднородности в D!

области ионосферы в зимний период. // Геомагнетизм и Аэрономия, 1987, т. 27, N4, с. 665-668.

12. Vincent, R. A., Belrose, J. S., The angular distribution of radio waves partially reflected from the lower ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys., 1978, V. 40, P. 35-47.

13. Vincent, R. A., Gravity wave motions in the mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys., 1984, V. 46, P. 119-128.

14. Manson, A. H. and С. E. Meek, The dynamics of the mesosphere and lower thermosphere at Saskatoon (52 N) // J. Atmos. Sci., 1986, V. 43, P. 276-284.

15. Vincent R. A. and I. M. Reid, HF Doppler measurment of mesosphe-ric gravity wave momentum fluxes. //J. Atmos. Sci., 1983, V. 40, P. 1321-1333.

16. С. H. Liu, J. R. Rottger, C. J. Pan, and S. J. Franke. A model for spaced antenna observational mode for MST radars // Radio Sci., 1990, N 4, P. 551-563.

17. Казанников A. M., Портнягин Ю. И. Характеристики мелкомасштабных движений в метеорной зоне // Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т.21, N 1, с. 371-373.

18. Tsuda, Т., S. Kato and R. A. Vincent, Long period wind oscillations

observed by the Kyoto meteor radar and comparison of the quosi-2-day wave with Adelaide HF radar observations //J. Atmos. Terr. Phys., 1988, V. 50, P. 225-230.

19. Pfaff, R. F., Rocket observations in the equatorial electrojet current status and critical problems //J. Atmos. Terr. Phys., 1991, V. 53, P. 709.

20. Rinnert, K., Plasma waves observed in the auroral E-region ROSE campaign // J. Atmos. Terr. Phys., 1992, V. 54, P. 683.

21. Kelley, M. C., The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics, Academic, San Diego, Calif., 1989.

22. Diman, Y. S., and R. Sudan, Kinetic theory of the Farley-Buneman instability in the E region of the ionosphere //J. Geophys. Res., 1995, V. 100, P. 14605.

23. Balsley, B. B., and K. S. Gage, The MST radar technique: Potential for middle atmospheric studies // Pure Appl. Geophys., 1980, V. 118, P. 452-493.

24. Carter. D. A., and B. B. Balsley, The summer wind fild between 80 and 93 km observed by the MST radar ar Poker Flat, Alaska (65 N) // J. Atmos. Sci., 1982, V. 39, P. 2905-2915.

25. Ruster, R., Winds and Waves in the middle atmosphere as observed by grownd-based radars // Adv. Space. Res., 1984, V. 4, P. 3.

26. Gurevich, A. V., Borisov, N. D., and K. P. Zybin, Ionospheric turbulence induced in the lower part of the E-region by the turbulence of the neutral atmosphere // J. Geophys. Res., 1997, V. 102, N . Al, P. 379-388.

27. Tatarsci, V. I., Wave Propagation in Turbulent Medium, Dover, New York, 1961.

28. K. Schlegel, Gurevich, A. V., Radar backscatter from plasma, irregularities of the lower E-region induced by neutral turbulence // Ann. Geophysicae, 1997, V. 15, N 7, P. 870-877.

29. Sato, T. Radar Principles // Handbook for MAP., 1989, V. 30, P. 19-53.

30. Lubken, F.-J., G. Lehmacher, T. A. Blix, U.-P. Hoppe, E. V.

Thrane, J. Y. N. Cho, and W. E. Swartz. First in-situ observations of

j

neutral and plasma density fluctuations within a PMSE layer // Geophys. Res. Lett., 1993, V. 20, P. 2311-2314.

31. Trakhtengerts, V. Yu., Generation mechanism of polar mesosphere summer echoes // J. .Geophys. Res., 1994, V. 99, P. 21,083-21,088.

32. Trakhtengerts, V. Yu., The generation of electric fields by aerosol particle flow in the middle atmosphere //J. Atmos. Terr. Phys., 1994, V. 56, P. 337-342.

33. Cho, J. Y. N., T. M. Hall, and M. C. Kelley. On the role of charged aerosols in polar mesosphere summer echoes. //J. Geophys. Res., 1992, V. 97, P. 875-886.

34. Trakhtengerts, V. Yu., and A. G. Demekhov, Nonequilibrium electron density fluctuations and wave scattering in the mesosphere, // J. Atmos. Terr. Phys., 1995, V. 57, P. 1153-1164.

35. Cho, J. Y. N. Radar scattering from the summer mesosphere: Theory and observations. Ph. D. thesis, Cornell University, Ithaca, N. Y. 1993.

36. Hoppe, U.-P., C. Hall and J. Rottger. First observations of summer polar mesospheric backscatter with a 224-MHz radar, // Geophys. Res. Lett., 1988, V. 15, P. 28-31.

37. Reid, I. M., P. Czechowsky, R. Ruster, and G. Schmidt. First

VHF radar measurments of mesopause summer echoes at mid-latitudes. // Geophys. Res. Lett., 1989, V. 16, P. 135-138.

38. Thomas, L.,I. Astin, and I. T. Prichard, The characteristics of VHF echoes from the summer mesopause region at mid-latitudes. //J. Atmosph. Terr. Phys., 1992, V. 54, P. 969-977.

39. K. Kubo, T. Sugiyama, T. Nakamura, S. Fukao, Seasonal and Interannuai Variability of Mesospheric Echoes Observed with the Middle and Upper Atmosphere Radar During 1986-1995, // Geophys. Res. Lett., 1997, V. 24, P. 1211-1214.

40. Taylor, M. J., A. P. van Eyken, H. Rishbeth, G. Witt, N. Witt, and M. A. Clilverd, Simultaneous observations of noctilucent clouds and polar mesospheric radar echoes : Evidence for non-correlation, // Planet. Space. Sci., 1989, V. 37, P. 1013-1020.

41. Jensen, E. J., G. E. Thomas, and B. B. Balsley. On the statistical correlation between polar mesospheric cloud occurence and enhanced mesospheric radar echoes // Geophys Res Lett., 1988, V. 15, P. 315-318.

42. Walchli, U., J. Stegman, G. Witt, J. Y. N. Cho, G. A. Miller, M. C. Kelley, and W. E. Swartz. First height comparison of noctilucent clouds and simultaneous PMSE // Geophys. Res. Lett., 1993, V. 20, P. 2845- 2848.

43. Ecklund, W. L., and B. B. Balsley. Long - term observations of the Arctic mesosphere with the MST radar at Poker Flat, Alaska, // J. Geophys, Res., 1981, V. 86, P. 7775-7780.

44. Czechowsky, P., I. M. Reid, R. Ruster, and G. Schmidt, VHF radar echoes observed in the summer and winter polar mesosphere over Andoya, Norway, // J. Geophys. Res., 1989, V. 94, P. 5199-5217.

45. Von Zahn, U., and W. Meyer, Mesopause temperatures in polar

summer, // J. Geophys. Res., 1989, V. 94, P. 14647-14651.

46. Gadsden, M., and Schroder. Noctilucent clouds, Springer-Verlag, New York, 1989.

47. Balsley, B. B., W. L. Ecklund, and D. C. Frits. VHF echoes from the high-latitude mesosphere and lower thermosphere: Observation and interpretation. // J. Atmos. Sci., 1983, V. 40, P. 2451- 2466.

48. Kelley, M. C., D. T. Farley, and J. Rottger. The effect of cluster

i

ions on anomalous VHF backscatter from the summer polar mesosphere. // Geophys. Res. Lett., 1987, V. 14, P. 1031-1034.

49. Rottger, J., M. T. Reetveld, C., La Hoz, T. Hall, M. C. Kelley, and W. E. Swartz, Polar mesosphere summer echoes observed with the EISCAT 993-MHz radar and the CUPRI 46,9-MHz radar, their similarity to 224-MHz radar echoes, and their relation to turbulence and electron density profiles. // Radio Sci, 1990, V. 25, P. 671-687.

50. Cho, J. Y. N., M. C. Kelley, and C. J. Heinselman. Enhancement of Thomson scatter by charged aerosols in the polar mesosphere: Measurement with a 1,29 GHz radar, // Geophys. Res. Lett, 1992, V. 19, P. 1097-1100.

51.Hoppe, U.-P., Hall, C.,Rottger, J., First observations of summer polar mesospheric backscatter with a 224-MHz radar, // Geophys. Res. Lett, 1988, V. 15, P. 28-31.

52. Hoppe, U.-P., D. C. Fritts, I. M. Reid., P. Czechowsky, C. M. Hall, and T. L. Hansen. Multiple - frequency studies of the high - latitude summer mesopause: Implication for scattering processes // J. Atmos. Terr. Phys., 1990, V. 52, P. 907-926.

53. Karashtin, A. N., Shlyugaev, Yu. V., Abramov, V. I., Belov, I. F., Berezin I. V., Bychkov, V. V., Eryshev, E. B, and Komrakov, G. P,

First HF radar measurments of summer mesopause echoes at SURA. // Annales Geophysicae, 1997, V. 15, P. 935-941.

54. Rottger, J., and La Hoz, Characteristics of polar mesopsphere summer echoes (PMSE) obesrved with the EISCAT 224-MHz radar and possible explanation of their origin //J. Atmos. Terr. Phys., 1990, V. 52, P. 893-906.

55. Cho, J. Y. N., Swartz, W. E., Kelley, M. C., and Miller C. A.

i

CUPRI observations of PMSE during Salvo B of NLC-92: Evidence of both partial reflection and turbulent scatter // Geophys. Res. Lett., 1993, V. 20, P. 2291-2294.

56. Czechowsky, P., I. M. Reid, and R. Ruster. VHF radar measurements of the aspect sensitivity of the summer polar mesopause echoes over Andenes (69 N, 16 E), Norway, // Geophys. Res. Lett., 1988, V. 15, P. 1259-1262.

57. Ulwick, J. C., K. P. Baker, M. C. Kelley, B. B. Balsley, and W. L. Ecklund. Comparison of simultaneous MST radar and electron density probe measurments during STATE // J. Geophys. Res., 1988, V. 03, P. 6989-7000.

58. Kelley, M. C., and J. C. Ulwick, Large and small - scale organization of electrons in the high-latitude mesopsphere : Implications of the STATE data // J. Geophys. Res., 1988, V. 93, P. 7001-7008.

59. Kelley, M. C., J. C. Ulwick, J. Rottger, B. Inhester, T. Hall, and T. Blix. Intense turbulence in the polar mesosphere : Rocket and radar measurments. // J. Atmos. Terr. Phys., 1990, V. 52, P. 875-891.

60. Blix, T. A., In situ studies of turbulence in the middle atmosphere by means of electrostatic ion probes, NDRE/ Dubl - 88/1002, Norw. Def. Res. Estab., Kjeller, 1988

61. Royrvik, O., and L. G. Smith. Comparison of mesospheric VHF radar echoes and rocket probe electron concentration measurments. // J. Geophys. Res., 1984, V. 89, P. 9014.

62. Inhester, B., J. C. Ulwick, J. Y. N. Cho, M. C. Kelley, and G. Shmidt, Consistency of roket and radar electron density observations: Implication about the anisotropy of mesospheric turbulence // J. Atmos.

Terr. Phys. 1990, V. 52, P. 855-873.

j

63. Lindzen, R. S., Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown // J. Geophys. Res., 1981, V. 86, P. 9707-9714.

64. Holton, J. R., The influence of gravity wave breaking on the general circulation of the middle atmosphere, //J. Atmos. Sci., 1983, V. 40, P. 2497.

65. Hall, T.M., Radar observations and dynamics of the polar summer mesosphere, Ph. D. thesis. Cornell. Univ., Ithaca, N.Y., 1991

66. Baisley, B. B., and A. C. Riddle, Monthly mean values of the mesosphere wind field over Poker Flat, Alaska, //J. Atmosph. Sci., 1984, V. 41, P. 2368-2375.

67. Meek, C. E., and Manson A. H. Vertical motions in the upper middle atmosphere from the Saskatoon (52 N, 107 W) M.F. radar. //J. Atmos. Sci., 1989, V. 46, P. 849-858.

68. Klostermeyer, J., The effect of ice particles on Thomson scattering from the polar summer mesopause region // Geophys. Res. Lett., 1994, V. 21, P. 2721-2724.

69. Havnes, O., U. de Angelis, Bingham, R., Goertz, C. K., Morfil, G. E., and Tsytovich, V. On the role of dust in the summer mesopause // J. Atmos. Terr. Phys., 1990, V. 52, P. 637-643.

70. Hocking, W. K., and Rottger, J. Pulse-length dependence of radar

signal strengths for Freshnel backscatter // Radio Sci., 1983, V. 18, P. 1312-1324.

71. Hocking W. K., Fukao, S., Yamamoto, M., Tsuda, T., and Kato, S., Viscosity waves and thermal-conduction waves as a cause of "specular" reflectors in radar studies of the atmosphere // Radio Sci., 1991, V. 26, P. 1281-1303.

72. Van Zandt, T. E. Green, J. L. Gage, K. S. and Clark, W. L. Vertical profiles of refracting turbulence structure constant: Comparison of observations by the Sunset radar with a new theoretical model // Radio Sci., 1978, V. 13, P. 819-829.

73. Friend, A. W., Theory and practice of tropospheric sounding by radar // Proc. Inst. Radio Eng., 1949, V. 37, P. 116-138.

74. Gage, K. S., and Balsley B. B. Doppler radar probing of the clear atmosphere //Bull. Am. Meteor. Soc., 1978, V. 59, P. 1074-1093.

75. Czechowsky, P., Schmidt, G.,. Ruster, R., The mobile SOUSY Doppler radar: Technial design and first results // Radio Sci., 1984, V. 19, P 441-450.

76. Briggs B. H., The analysis of spaced sensor records by correlation technique // Handbool for MAP, 1984, V. 13, P. 166-186.

77. Rottger, J., and Vincent, R. A., VHF radar studies of tropospheric velocities and irregularities using spaced antenna techniques // Geophys. Res. Lett., 1978, V. 5., P. 917-920.

78. Briggs B. H. Radar observations of atmospheric minds and turbulence: a comparison of techniques. //J. Atmos. Terr. Phys., 1980, V. 42, P. 823-833.

79. Hocking, W. K., P. T. May, and J. Rottger. Interpretation, reliability and accuracies of parameters deduced by the spaces antenna

method in middle atmosphere applications // Pageoph., 1989, V. 130, P. 571-604.

80. Rottger, J., Liu, С. H., Chao, J. K., Chen, A. J., Pan, C. J., Fu, I-J. Spatial interferometer measurments with the Chung-Li VHF radar // Radio Sci., 1990, V. 25, N 4, P. 503-516.

81. Белов И. Ф., Бычков В. В., Гетманцев Г. Г., Митяков Н. А., Пашкова Г. Р. Экспериментальный комплекс "Сура" для исследования искуственных возмущений ионосферы // Препринт НИРФИ, N. 167, Горький, 1983. 25 с.

82. Tokarev, Yu. V. Lunar reflection properties at decameter wavelengths // Astronomy Posters Abstracts of the XXIInd General Assembly of the IAU. Den Haag, The Netherland, 15-27 August, 1994, JD 18.1, P.269.

83. Бабиченко, A. M., А. В. ГУревич, A. H. Караштин, В.О.Рапопорт, Радиолокация магнитосферной турбулентности // Письма в ЖЭТФ. 1991., т. 53, с. 139-143.

84. А. V. Gurevich, А. М. Babichenko and А. N. Karachtin and V. О. Rapoport, HF Sounding of the Auroral Manetosphere, //J. Geophys. Res, 1992, V. 97, P. 8693-8696.

85. D. L. Hysell, M. С. КеИеу, A. V. Gurevich, A. N. Karashtin, A. IvI. Babichenko, Y. M. Yampolski, V. S. Beley, J. F. Providakes HF Radar Probing of the Lower Magnetosphere, //J. Geophys. Res., 1997, V. 102, P. 4685-4874.

86. Tokarev, Yu. V., Kaiser, M. L., Rodrigues, P., Alimov, V. A., Belov, Yu. I., Boiko, G. N., Komrakov, G. P., Murav'eva, N. N. and Rakhlin A. V., The SURA - WIND radar: Study of nonlinear effects to be found during ionosphere sounding by HF radio waves, submitted to

Radiophysics and Quantum Electronics, 1998.

87. Van't Klooster, C. G. M., Belov, Y., Tokarev, Y., Bougeret, J. L., Manning, R., Kaiser, M. L. Experimental 9 MHz transmission from Vasil'sursk in Russia to the WIND spacecraft of NASA, Preparing for the Future, ESA Publications, 1995, V. 5, N 4.

88. Караштин A. H., Шлюгаев Ю. В.,. Абрамов В. И., Белов И. Ф., Березин И. В., Бычков В. В., Ерышев Е. Б., Комраков Г. П., Первые результаты коротковолновой радиолокации мезосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1988, т. 38, N 4, с. 100-107.

89. Караштин А. Н., Шлюгаев Ю. В., Березин И. В., Комраков Г. П., Сезонное поведение среднеширотных коротковолновых мезо-сферных радиоэхо. // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1998, т. 51, N 3, с. 1248-1257.

90. Karashtin, A. N., Yu. V. Shlyugaev, V. I. Abramov, I. F. Belov, I. V. Berezin, V. Y. Bychkov, E. B. Eryshev, and G. P. Komrakov, Preliminary results of first HF radar measurements of mesopause echoes at SURA // Proc. 21st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK, 1995, P. 1341-1346.

91. Karashtin, A. N., Yu. V. Shlyugaev, V. I. Abramov, I. F. Belov, I. V. Berezin, V. V. Bychkov, E. B. Eryshev, and G. P. Komrakov, First HF radar measurements of the mesosphere echoes at SURA // Plasma Instabilities in the ionospheric E-region: Proc. Workshop on E-region instabilities, Lindau, Germany, 1995, P. 15-18.

92. Караштин, A. H., Ю. В. Шлюгаев, Г. П. Комраков, И. В. Березин, Зондирование мезосферы коротковолновым радаром на базе стенда СУРА // тезисы докл. XVIII Всероссийск. конф. по распростр. радиоволн, С.-Петербург, 1996, т. 1, с. 152-153.

93.Cliilson, P. B., Czechowsky, P., Schmidt, G., A comparison of ambipolar coefficients in meteor trains using VHF radar and UV lidar // Geophys. Res. Lett., 1996, V. 23, N 20, P. 2745-2748.

94. Von Zahn, U., J. Hoffner, V. Eska, and M. Alpers. The mesopause altitude: Only two distinctive levels worldwide? // Geophys. Res. Lett., 1996, V. 23, N 22, P. 3231-3234.

95. Cho, J. Y. N., Rottger, J., An updated review of polar mesosphere

I

summer echoes: Observation, theory, and their relationship to noctilucent clouds and subvisible aerosols. //J. Geophys. Res., 1997, V. 102, N D2, P. 2001-2020.

96. Gregory, J. B., Meek, C. E., Manson, A. H. Assesment of winds data ( 60-110 km) obtained in real-time from a medium frequency radar using the radio wave drifts technique. // J. Atmos. Terr. Phys., 1982, V. 44, N 8, P. 649-655.