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) можно также встретить в литературе под следующими названиями: диффузные отражения; множественные отражения; мультиплеты; рассеянные отражения.
Идентификация F-рассеяния
Определение F-рассеяния 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: 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.
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.
Обычно при F-рассеянии на ионограммах появляется много мультиплетов, или сопутствующих отражений, близких к основному отражению от слоя F и недостаточно отделённых от него.
Проявление F-рассеяния на ионограммах весьма разнообразно: по частотам: F-рассеяние покрывает почти весь диапазон частот зондирования; F-рассеяние появляется только рядом с критической частотой; F-рассеяние находится на низкочастотном конце следа отражений; по интенсивности, когда степень рассеяния меняется очень широко: едва заметная степень F-рассеяния; наивысшая степень рассеяния — слияние обыкновенной и необыкновенной компонент F-рассеяния.
Наличие F-рассеяния легко определяют: из стандартных ионограмм вертикального зондирования; из таблиц часовых значений параметров с международными обозначениями: — 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 1. Общая классификация делит F-рассеяние на три большие группы по широтномупризнаку по геомагнитной широте станции наблюдения: 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: при высотном F-рассеянии ионограмма диффузна на низких частотах из-за дополнительных отражений, в итоге: затруднён отсчёт кажущейся высоты; критические частоты легко определяются; 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: 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: 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: 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: — рассеянный тип; — вилообразный тип; — шпорообразный тип (характеризует рассеяние по частоте); — тип рассеяния по высоте; — облачный слой F.
Механизмы образования неоднородностей, приводящих к F-рассеянию
Экваториальная ионосфера Существенный прогресс выяснения причин F-рассеяния определяется динамикой неустойчивости Рэлея — Тейлора, которая объясняет: 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.
Неустойчивость Рэлея — Тейлора позволяет: объяснить появление среднемасштабных по (областей с обеднением плазмы); построить очень простые модели их поведения; объяснить и смоделировать набор маломасштабных по неоднородностей.
Среднеширотная ионосфера На средних широтах в принципе действуют те же физические механизмы, что и в экваториальной ионосфере. Но моделировать теоретически и численно неустойчивости сложнее: появляемость и интенсивность среднеширотного F-рассеяния ниже, чем экваториального; более тяжело, чем на экваторе, объяснить возникновения неоднородностей.
Полярная ионосфера 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.
Примечания
Источники
Категория:Радиофизика Категория:Атмосфера Земли Категория:Физика плазмы Категория:Ионосфера