Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Выборнов Федор Иванович
ФРАКТАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ПЛАЗМЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ
Специальность 01.04.03 - радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Нижний Новгород - 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении ФНаучно-исследовательский радиофизический институтФ (ФГБНУ НИРФИ) Министерства образования и науки Российской Федерации
Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Урядов Валерий Павлович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гавриленко Владимир Георгиевич доктор физико-математических наук, профессор Черкашин Юрий Николаевич доктор физико-математических наук Иудин Дмитрий Игоревич
Ведущая организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", г. Казань.
Защита состоится 13 марта 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении ФНаучно-исследовательский радиофизический институтФ Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, д. 25/12а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ.
Автореферат разослан ___ ________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук Караштин А.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность задач исследований Ионосфера Земли - это природная плазменная лаборатория. Ее неоднородная структура является довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, происходящих в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве. Изучение неоднородной структуры электронной концентрации в ионосфере Земли представляют большой интерес как для фундаментальной науки, расширяя наши представления о процессах, происходящих в магнитоактивной плазме, так и для решения чисто прикладных задач, связанных с проблемами трансионосферной связи, навигации, загоризонтной радиолокации и радиоастрономии. Подобные исследования весьма интенсивно проводились учеными разных стран в 60Ц90 гг. прошлого столетия после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) в 1957 г. После обнаружения в начале 70-х годов степенного характера спектра ионосферной турбулентности большое внимание стало уделяться изучению её спектральных характеристик в различных геофизических условиях, в том числе и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением [1*Ц3*]. Во всех многочисленных ионосферных исследованиях применялись стандартные методы спектрального анализа флуктуирующих сигналов, пригодные для статистической обработки квазистационарных случайных процессов. Ранее такие же методы применялись и в исследованиях атмосферной турбулентности при зондировании ее электромагнитными и звуковыми волнами. В то же время в этих исследованиях активно использовался и метод структурных функций 2-го порядка для определения асимптотического поведения флуктуаций принимаемого сигнала. В результате был установлен квазистационарный характер случайного процесса рассеяния волн в атмосфере Земли изотропной турбулентностью с практически единственным показателем спектра p3 11/3, однозначно связанным с единственным показателем структурной функции 2 =2/3 простым соотношением p3 3 2 [4*Ц5*].
В исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности метод структурных функций практически не использовался. Более того, не было выполнено ни одной работы, в которой бы одновременно определялись структурные функции и спектральные характеристики исследуемого случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. В результате многочисленных исследований спектров ионосферной турбулентности стандартными методами спектрального анализа флуктуирующих сигналов были зарегистрированы большие (в несколько единиц) вариации показателей этих спектров в зависимости от условий распространения радиоволн в ионосфере, состояния ионосферы, различных геофизических условий наблюдения и т.п. Но поскольку должный контроль за стационарностью исследуемого случайного процесса в этих работах не проводился, то достоверность полученных сведений о спектральных характеристиках мелкомасштабной ионосферной турбулентности (МИТ) вызывает серьезные сомнения. Кроме того, в рамках классического метода радиомерцаний, применявшегося в этих работах, всегда предполагалось равномерное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере. В то же время, результаты уже первых наших экспериментальных исследований перемежаемости МИТ говорят о том, что МИТ имеет неравномерное фрактальное распределение в пространстве [18, 19].
Первые теоретические и экспериментальные исследования мультифрактальной структуры развитой МИТ были выполнены в [17, 20]. С помощью мультифрактального анализа записей амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, была продемонстрирована возможность определения неравномерного фрактального распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве. В [20] впервые в ионосферных исследованиях неоднородной структуры ионосферы было показано, что истинное значение показателя ( p3 2,7 ) спектра МИТ, определяемое в результате мультифрактальной обработки записи амплитуды принятого сигнала, может заметно отличаться от его значения ( p3 3,8), вычисленного по стандартной методике спектрального анализа для стационарного случайного процесса. Это связано с тем, что в реальных нестационарных условиях рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме классический метод спектрального анализа радиосигналов не работает и может приводить к существенным ошибкам в определении спектральных характеристик МИТ.
В исследованиях реальной неоднородной структуры ионосферной турбулентности для получения достоверной информации о локальной структуре МИТ как в естественных условиях, так и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением, более корректно использовать мультифрактальный анализ сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, основанный на методах многомерных структурных функций (МСФ) и вейвлет-преобразования (ВП), которые пригодны в условиях нестационарных случайных процессов [5*Ц9*].
В свете вышеизложенного представляется чрезвычайно актуальным изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Данная диссертационная работа и посвящена этой теме. Фактически это новое направление в исследованиях неоднородной структуры околоземной ионосферной и космической плазмы радиофизическими методами. В диссертации рассмотрены теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ.
Представлены результаты первых экспериментальных исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы как в естественных условиях, так при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением российского нагревного среднеширотного стенда СУРА.
Предложен и апробирован на реальных экспериментальных данных перспективный фазовый метод исследований мультифрактальной структуры околоземной и космической плазмы, основанный на измерении многомерных структурных функций для флуктуаций фазы сигналов, принимаемых от спутников и космических радиоисточников. Фазовый метод может быть использован для получения обширных данных о мультистепенных и мультифрактальных спектрах ионосферной и космической плазменной турбулентности в различных геофизических условиях, для разных географических (и геомагнитных) широт Земного шара, в разное время суток, в условиях развитой гелиоактивности и т.д.
Настоящая диссертационная работа может являться основой большого цикла работ в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Совокупность рассмотренных положений позволяет считать диссертационную тему чрезвычайно актуальной как в части фундаментальных исследований свойств неоднородной структуры ионосферной плазмы, так и в части практического применения для систем трансионосферной радиосвязи, радиолокации и космической навигации.
Целью диссертационной работы является разработка теоретической модели и экспериментальное исследование фрактальной структуры развитой турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка теоретических основ исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования.
2. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях, в том числе в условиях Солнечного затмения. Определение истинных значений показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности и мультистепенных спектров плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы.
3. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ) при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей мультифрактальной структуры МИИТ в условиях, когда наблюдается эффект магнитного зенита.
4. Экспериментальные исследования фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений электронной концентрации на средних широтах.
Научная новизна и практическая ценность. Настоящая диссертационная работа фактически является первой работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. В диссертации разработан принципиально новый фрактальнокорреляционный подход к исследованию флуктуаций сигналов ИСЗ в ионосферной плазме, что позволило получить необходимую информацию об истинных значениях показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной ионосферной турбулентности в естественных условиях и анизотропной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, а также определить значения фрактальных размерностей пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Результаты сопоставлены с полученными ранее многочисленными экспериментальными данными о неоднородностях электронной концентрации среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения. По результатам диссертационной работы сделан вывод о целесообразности проведения развернутых работ в рамках комплексной международной программы перспективных исследований фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
В диссертации получены следующие новые результаты:
Х Впервые предложен и экспериментально апробирован фрактально-корреляционный метод определения фрактальной размерности DN пространства, занятого в ионосфере неоднородностями электронной концентрации, и истинного показателя p3 спектра изотропной мелкомасштабной ионосферой турбулентности по измеряемым в эксперименте фрактальной размерности DA и значению показателя спектра записи амплитуды принимаемого сигнала pA при дистанционном зондировании ионосферы.
Получены характерные значения фрактальной размерности DN пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, и истинные значения показателя p3 спектра.
Проанализированы условия резко неравномерного распределения локальных фрактальных структур МИТ в пространстве.
Х Получены соотношения, связывающие измеряемую в эксперименте фрактальную размерность DA записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с фрактальной размерностью DN пространства, занятого в ионосфере неоднородностями, и значением истинного показателя p2 анизотропного спектра флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ). Выявлено существенное различие фрактальных размерностей DN для МИТ и МИИТ даже при одинаковых DA 1.
Х Показано, что изотропная локальная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности, описываемая мультистепенным спектром ФN ( ), однозначно q определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент q из мультистепенного спектра флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ после радиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы.
Х Показано, что неравномерное распределение в пространстве ионосферных неоднородностей в общем случае характеризуется набором фрактальных размерностей DN (q ), а полный мультифрактальный анализ записей флуктуаций фаз принимаемых сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы с борта орбитального ИСЗ.
Х Показано, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы, равно как и при аналогичных исследованиях неоднородной структуры турбулентности в других природных средах, понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса. В действительности же мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайными (турбулентными) процессами. При статистической фрактальной обработке принимаемых сигналов выявляется истинная мультифрактальная структура исследуемых нестационарных случайных процессов в пределах соответствующих инерционных интервалов этих турбулентных структур.
Проанализированы некоторые особенности применения вейвлет-преобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.
Х Установлено, что неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы определяет нестационарное поведение структурных функций быстрых флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, что непосредственно выражается в специфическом скейлинге этих функций и, соответственно, в мультифрактальных спектрах самих сигналов.
Х Установлено, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости флуктуаций энергии сигналов, принимаемых с бортов орбитальных ИСЗ, в конечном счете, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации, формируемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров. При этом полученные сведения о форме мультифрактальных спектров флуктуации энергии принимаемых сигналов оказываются справедливыми на всем множестве многомерных структурных функций с произвольными показателями порядка ( q 0, q 0 ).
Применение различных алгоритмов расчетов фрактальных спектров флуктуаций энергии принимаемых сигналов со скользящим усреднением флуктуаций амплитуды на локальных временных интервалах и при обработке с дискретными значениями локальных средних для мощности флуктуаций приводят к заметно различным мультифрактальным спектрам перемежаемости флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов. Последнее обстоятельство следует учитывать при построении различных физических моделей мультифрактальных спектров перемежаемости развитой ионосферной турбулентности.
Х Обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами ~(200250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры с размерами ~ (1215) км. Результат получен при зондирования среднеширотной ионосферы в сеансах связи с орбитальными спутниками 29.03.2006 г. и 23.08.2005 г. при исследованиях неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением метода многомерных структурных функций при анализе флуктуаций амплитуды сигналов. Это принципиально новый результат в исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности.
Х Обнаружено, что во время солнечного затмения 01.08.2008 г. измеренные на разных радиотрассах мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности в двух сеансах наблюдений на начальной и завершающей стадиях затмения оказались практически идентичными, что может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственновременного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере.
Х Установлено, что в отличие от турбулентности естественного происхождения, мультифрактальные характеристики анизотропной искусственной турбулентности, образующейся при воздействии на среднеширотную ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением, свидетельствуют в пользу представления о ней как о довольно упорядоченной неоднородной структуре со сравнительно узким мультистепенным спектром и небольшими вариациями обобщенного мультифрактального спектра электронной концентрации. При этом ширина p искомого локального спектра МИТ может быть использована для определения вида этой турбулентности (естественного или искусственного происхождения). Первые экспериментальные исследования МИТ показали, что ширина мультифрактальных спектров сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, составляет величину p 0,3 в естественных условиях и p 0,15 - при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением, что свидетельствует о довольно упорядоченной неоднородной структуре анизотропной МИИТ.
Х Проведен фрактальный анализ сигнала от орбитального ИСЗ после дифракции его на перемещающихся ионосферных возмущениях (ПИВ). Установлено, что детерминированный хаос в принимаемом сигнале является следствием нелинейного разрушения акустико-гравитационных волн (АГВ) в ионосфере Земли. Причем источниками хаотических пространственно-временных неоднородностей электронной концентрации ПИВ, которые и вызывают наблюдаемые слабые хаотические вариации принимаемого сигнала, являются всего лишь несколько (в условиях нашего эксперимента M 4 5 ) квазисинусоидальных волн в структуре ПИВ с некратными собственными частотами и степенным (с показателем p 2 ) пространственным спектром. Обнаружено, что фрактальная структура мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ПИВ с размерами l 110 км имеет особенности. Рождающиеся при нелинейном разрушении АГВ в ионосфере мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации неравномерно распределяются в пространстве. В данном случае перемежаемость проявляется в форме пространственной неоднородности ионосферной турбулентности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических исследований мультифрактальной структуры развитой среднеширотной ионосферной турбулентности, когда основным способом получения данных об этой структуре является метод дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ.
2. Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной ионосферной турбулентности с использованием метода многомерных структурных функций в условиях реальной нестационарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в случайнонеоднородной плазме, показавшие возможность определения мультистепенных и мультифрактальных спектров МИТ.
3. Результаты исследования мелкомасштабной среднеширотной ионосферной турбулентности, позволившие получить первые данные о структуре мультистепенных локальных спектров МИТ в естественных условиях.
4. Результаты первых исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ при модификации среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением нагревного стенда СУРА, в том числе, когда сигнал ИСЗ проходил область магнитного зенита.
5. Результаты исследования мелкомасштабных плазменных неоднородностей перемещающихся ионосферных возмущений с применением мультифрактального анализа и фрактальной обработки принимаемых радиосигналов методом корреляционного интеграла.
6. Результаты исследования крупномасштабных (с размерами в десятки километров) неоднородностей электронной концентрации ПИВ методом радиопросвечивания среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ с применением мультифрактальной обработки экспериментальных данных.
Научная и практическая значимость результатов диссертационной работы связана с выявление фрактальных свойств плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы, что дает основу для более глубокого понимания процессов развития и релаксации ионосферных неоднородностей, позволяет идентифицировать их характер (техногенного или естественного) происхождения и определять параметры ионосферной турбулентности в условиях явной нестационарности и относительной локальности.
Представленные в диссертации результаты могут быть использованы как основа для проведения развернутых исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы и получения новых данных о свойствах плазменных неоднородностей в экваториальной и приполярной областях ионосферы Земли в рамках комплексной международной программы соответствующих работ.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при разработке диагностических средств для проведения ионосферных исследований, при разработке радиотехнических систем связи КВ и УКВ диапазонов, радиолокации и спутниковой навигации, при расчетах параметров ионосферных каналов связи в условиях средних широт, при проведении радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли.
Тема диссертационной работы находится в сфере традиционных интересов ФГБНУ НИРФИ в области исследований неоднородной структуры ионосферной и космической плазмы. Значительная часть исследований была выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 95-02-03716, 96-18632, 96-02-18659, 99-02-16052, 00-02-17372, 01-02-16680, 03-02-17303, 06-02-16034 и 0902-97026р_поволжье_а) и Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области (проект № 11-02-97012р_поволжье_а).
ичный вклад автора. Большая часть работ по теме диссертации написаны в соавторстве с В.А. Алимовым и В.А. Рахлиным. При этом в самом начале работ по фрактальной структуре ионосферной турбулентности автор принимал участие в экспериментальных исследованиях по этой теме: осуществлял измерения, на основе лично разработанных алгоритмов проводил компьютерную обработку и анализ полученных экспериментальных данных, обсуждал результаты и готовил их к публикации. В дальнейшем, наряду с активным участием в экспериментах, автор стал участвовать и в теоретических исследованиях фрактальной структуры плазменной турбулентности ионосферы. В частности, автором предложена идея мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности и проведены соответствующие теоретические расчеты мультистепенного спектра мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением.
Автором была теоретически обоснована идея о новом, наиболее перспективном, фазовом методе дистанционного исследования мультифрактальной структуры ионосферной и космической плазмы, а также проанализированы некоторые особенности изучения мультифрактальной структуры МИТ с использованием вейвлет-преобразования.
Результаты этих теоретических исследований автора, в сочетании с результатами первых экспериментов, фактически сформировали новое научное направление в исследованиях неоднородной структуры электронной концентрации верхней ионосферы - изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Из работ, написанных по теме диссертации в других авторских коллективах, в диссертацию включены только те результаты, в которые вклад автора был определяющим.
Во всех других случаях используемые в диссертации результаты приводятся с соответствующими ссылками на их авторов и публикации.
Достоверность результатов диссертации обусловлена использованием современных методов фрактального анализа и вейвлет-преобразований, пригодных для описания нестационарных случайных процессов, физической обоснованностью поставленных экспериментов и совпадением полученных в ходе фрактально-корреляционного анализа результатов с результатами классического метода в случае слабых радиомерцаний на равномерно распределенных мелкомасштабных ионосферных неоднородностях в пространстве.
Публикации и апробация результатов. По теме диссертации опубликовано 29 статей в отечественных научных журналах, входящих в список рекомендованных ВАК РФ, более 40 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всероссийских (всесоюзных) и международных конференций, препринтах ФГБНУ НИРФИ и научнотехнических сборниках. Основные результаты докладывались на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным излучением (Суздаль, 1991 г.;
Москва, 1998 г., 2007 г.), XVIII Всероссийской конференции по pаспpостpанению радиоволн (Санкт-Петеpбуpг, 1996 г.), XIX Всероссийской научной конференции УРаспространение радиоволнФ (Казань, 1999 г.), XX Всероссийской научной конференции УРаспространение радиоволнФ (Нижний Новгород, 2002 г.), XXII Всероссийской научной конференции УРаспространение радиоволнФ (Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008 г.), XXIII Всероссийской научной конференции УРаспространение радиоволнФ (Йошкар-Ола, 20г.), VII Симпозиуме по Солнечно-Земной физике России и стран СНГ (Москва, 1998 г.), Третьей Всероссийской научной конференции УФизические проблемы экологии (экологическая физика)Ф (Москва, 2001 г.), Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2001 г.), IX международной конференции УФизика в системе современного образованияФ (ФССО-07) (Санкт-Петербург, 2007 г.), X международной конференции УФизика в системе современного образованияФ (ФССО-09) (Санкт-Петербург, 2009 г.), Международной научной конференции ФИзлучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ-2007Ф (Таганрог, 2007 г.), V Международной конференции Солнечно-Земные связи и физика предвестников землетясений (с.
Паратунка, ИКИР ДВО РАН, 2010 г.), XXV Всероссийском симпозиуме ФРадиолокационное исследование природных средФ (Санкт-Петербург, 2007 г.), XXVI Всероссийском симпозиуме ФРадиолокационное исследование природных средФ (СанктПетербург, 2009 г.), XXVII Всероссийском симпозиуме ФРадиолокационное исследование природных средФ (Санкт-Петербург, 2011 г.), Седьмой Всероссийской Открытой конференции Современые проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса:
Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений (Москва, ИКИ РАН, 2009 г.), Восьмой Всероссийской Открытой конференции Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды и потенциально опасных явлений (Москва, ИКИ РАН, 2010 г.), Региональных V, XI, XII, XIII, XIV, XV и XVI конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург;
1999, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 год соответственно), Восьмой научной конференции по радиофизике, посвященной 80-тилетию со дня рождения Б.Н. Гершмана (Нижний Новгород, 2004 г.), Четырнадцатой научной конференции по радиофизике (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2010 г.), Четвертой межвузовской научно-технической конференции. (Нижний Новгород, 1997 г.), на научных семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 327 страниц текста, включая 82 рисунка и список литературы из 239 названий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении дана общая характеристика диссертационной работы и показана актуальность темы исследования. Обоснована необходимость изучения мультифрактальных свойств ионосферной турбулентности, как нестационарного случайного процесса. Анализируется значение полученных результатов для последующих фундаментальных исследований свойств неоднородной ионосферной плазмы.
Подчеркивается практическая значимость полученных результатов для возможной дифференциации искусственных и естественных неоднородностей F-области ионосферы.
Кратко изложено основное содержание диссертационной работы.
В первой главе содержится обзор экспериментальных данных о неоднородной структуре среднеширотной ионосферы, полученных во второй половине ХХ века с использованием различных методов исследований, приведены основные модели спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности F-слоя ионосферы, разработанные на основе этих данных. Приводятся результаты работ по модификации классического метода радиомерцаний, выполненных с участием автора в 90-х годах ХХ века. Рассматриваются особенности классического спектрально-корреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности и, как следствие, поставлены задачи диссертационной работы.
В разделе 1.1 содержатся сведения о результатах исследований неоднородной структуры верхней ионосферы (по результатам наземных наблюдений за сигналами ИСЗ в 50-х - 90-х годах XX века в естественных условиях и при модификации ионосферы мощным КВ излучением), в ходе которых был получен довольно большой фактический материал о плазменной структуре среднеширотной ионосферы. Отмечается, что некоторые вопросы, касающиеся неоднородной структуры ионосферной плазмы и требовавшие проведения специальных экспериментов по радиозондированию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ были решены только в конце прошлого - начале этого веков с участием автора. Это касается: измерений спектральных характеристик плазменной турбулентности верхней ионосферы с помощью синхронных наблюдений за флуктуациями амплитуды и фазы сигналов орбитальных ИСЗ при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением; экспериментального тестирования обобщенной модели спектра ионосферной турбулентности, учитывающей зависимость анизотропии мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы вдоль направления магнитного поля Земли от поперечных размеров этих неоднородностей;
исследования анизотропной структуры искусственной ионосферной турбулентности.
Приводятся сведения об экспериментальных нагревных стендах для модификации ионосферы и научных результатах, полученных при их работе в части, касающейся неоднородной структуры ионосферы разных широт. Приводятся результаты исследований искусственной неоднородной структуры ионосферы различными методами в их взаимосвязи.
В разделе 1.2 рассмотрены основные модели спектров мелкомасштабной плазменной турбулентности верхней ионосферы, которые являлись, в той или иной степени, базовыми моделями среды распространения радиоволн при спектрально-корреляционном подходе в исследованиях ионосферной турбулентности в рамках классического метода радиомерцаний. Отмечается, что одной из первых была модель с гауссовской формой трехмерного спектра флуктуаций электронной концентрации, учитывающая анизотропию ионосферной турбулентности в плоскости, поперечной к направлению магнитного поля Земли, и степень вытянутости неоднородностей ионосферной плазмы вдоль силовых линий.
Для искусственной ионосферной турбулентности в 70-х годах была разработана модель анизотропного спектра, которая отражала более резкую степень анизотропии в отличие от гауссовской модели относительно направления геомагнитного поля. А для высокоширотной модели в 90-х годах была предложена анизотропная форма спектра неоднородностей с различными спектральными индексами в продольном и поперечных направлениях относительно геомагнитного поля.
Отмечается, что обобщенная модель спектра ионосферной турбулентности 1997 года, приведённая в этом разделе диссертации, может использоваться для интерпретации результатов измерений как в условиях высоких, так и средних широт.
Рассматриваются достоинства и ограничения спектрально-корреляционного подхода в исследованиях ионосферной турбулентности. Строгий математический фундамент - корреляционная теория случайных процессов - своими вторыми моментами распределения вероятности точно описывает только гауссовы процессы на интервале их стационарности. Применение и интерпретация статистических моментов более высокого порядка оказывается достаточно сложным.
Отмечаются достоинства фрактального подхода, широко применяющегося в исследованиях гидродинамической турбулентности и позволяющего продвинуться в понимании физических процессов, ответственных за ионосферную турбулентность.
Во второй главе диссертации представлены результаты специальных экспериментальных исследований плазменной структуры среднеширотной ионосферы с помощью радиозондирования ее сигналами орбитальных ИСЗ. Приводятся данные о наземном аппаратурном комплексе. Обсуждаются особенности проведения измерений с помощью этого аппаратурного комплекса. Приводятся результаты спектральной обработки сигналов ИСЗ, принимаемых на Земле в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ излучением.
В разделе 2.1 приводятся данные о радиоизмерительном комплексе ФГБНУ НИРФИ для диагностики ионосферной турбулентности с помощью наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ, ионосферных станциях ФСойкаФ и ФБазисФ и нагревных стендах СУРА и ФЯстребФ. При проведении экспериментов для диагностики искусственных и естественных неоднородностей использовались когерентные сигналы ИСЗ систем ФТранзитФ, ФЦикадаФ и ФПарусФ. Прием осуществлялся в диапазонах 150 и 400 МГц на специальные антенны, имеющие широкую диаграмму направленности в вертикальном секторе углов. Отмечается, что проведению измерений предшествовала процедура вычислений местоположения ИСЗ в пространстве по данным, получаемым в виде TLE файла. Обсуждается геометрия эксперимента, когда приемный пункт расположен рядом с нагревным стендом или западнее на расстоянии около 100 км.
Отмечается, что применение метода радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ широко применяется для исследования формы спектра, пространственно-временных распределений, а, в последнее время, и для исследования фрактальных свойств неоднородностей электронной концентрации. Описание метода ограничено приближением слабого малоуглового рассеяния.
В разделе 2.2 приводятся результаты измерений спектральных характеристик искусственной плазменной турбулентности верхней ионосферы методом радиопросвечивания ионосферы во время воздействия на нее мощным КВ радиоизлучением нагревного стенда СУРА. С помощью приемника когерентных частот, расположенного в 100 км западнее в пункте Зименки, регистрировались амплитуды сигналов ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц и их квадратурные составляющие. Приведенные результаты спектральной обработки записей флуктуаций амплитуды и флуктуаций фазы сигналов ИСЗ свидетельствуют о том, что возможны два типа спектров искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным КВ радиоизлучением: спектр с монотонной степенной зависимостью с показателем степени p 2 и спектр, имеющий максимум в области масштабов l 0,82,2 км.
В разделе 2.3 рассмотрены результаты эксперимента по определению структуры неоднородностей в направлении геомагнитного поля методом наземного приема сигналов орбитальных ИСЗ на частоте 150 МГц для искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой нагревным стендом ФЯстребФ. Отмечается степенной характер резко анизотропного спектра мелкомасштабных плазменных неоднородностей при модификации верхней среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением.
В разделе 2.4 рассмотрены различные теоретические модели спектра мелкомасштабной ионосферной турбулентности. Отмечается особая роль обобщенной модели спектра ионосферной турбулентности, учитывающей зависимость анизотропии (вытянутости) мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы вдоль направления магнитного поля Земли от поперечных масштабов этих неоднородностей.
Приведены результаты первых специализированных экспериментов по радиозондированию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц в условиях повышенной солнечной активности. Эксперименты проводились на радиофизическом полигоне в Нижегородской области в 2003 году.
Исследовались статистические характеристики флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов при различной ориентации луча зрения с ИСЗ на наземный пункт приема относительно направления магнитного поля Земли. В ходе эксперимента была обнаружена зависимость наклона спектра флуктуаций амплитуды принимаемого излучения от угла . Полученный результат согласуется с обобщенной моделью спектра ионосферной турбулентности и может свидетельствовать в пользу резко выраженной анизотропной структуры мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации среднеширотной ионосферы в возмущенных геофизических условиях.
В третьей главе диссертации представлены результаты теоретических исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности в задаче дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ.
В разделе 3.1 рассмотрен вопрос о связи локальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с измеряемыми при дистанционном зондировании ионосферы с бортов ИСЗ показателями pA частотных спектров и фрактальными размерностями DA записей амплитуды принимаемых на Земле сигналов. Для структурной функции амплитудных флуктуаций принимаемого сигнала при небольшом временном разнесении используется соотношение [7*, 17]:
T q 1 q q q1DA (q ) A (q) A( ) A(t ) A(t) dt , (1) T где T - временной интервал амплитудной записи сигнала; A(q) - показатель скейлинга для апроксимации измеряемой в эксперименте структурной функции амлитудных флуктуаций q -го порядка; DA(q ) - фрактальная размерность амплитудных флуктуаций принимаемых сигналов, определяемая на множестве q структурных функций;
q dA(q) / dq. Рассматривается фрактальная размерность амплитудных флуктуаций DA DA(2) 22 1A(2) в точке 2 dA(q) / dq, представляющая наибольший qинтерес для развитой ионосферной турбулентности. Показано, что знание параметров DA и pA позволяет определить истинные значения показателей p локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной мелкомасштабной турбулентности ионосферы в естественных условиях и при модификации ее мощным КВ радиоизлучением, а также указать фрактальные размерности DN пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями этих турбулентных структур.
В разделе 3.2 рассмотрен вопрос о диагностике локальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением мультифрактального анализа принимаемых сигналов орбитальных искусственных спутников Земли после радиопросвечивания ими неоднородной ионосферы. Показано, в частности, что анализ мультифрактальной структуры записей амплитуды принимаемых сигналов методом многомерных структурных функций (см. уравнение (1)) позволяет определять показатели мультистепенных локальных спектров p3 изотропной и p2 анизотропной q q мелкомасштабной ионосферной турбулентности, которые присущи ей из-за неоднородного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в пространстве. Отмечается, что для традиционного метода радиомерцаний, основанного на классическом спектральном анализе сигналов, принимаемых при дистанционном радиозондировании ионосферы, информация о мультистепенном спектре мелкомасштабной ионосферной турбулентности является недоступной. В то же время метод многомерных структурных функций оказывается работоспособным в условиях реальной нестационарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в случайнонеоднородной ионосферной плазме.
В разделе 3.3 приведены теоретические обоснования возможности использования фазового метода диагностики неоднородностей верхней ионосферы, который основан на измерении многомерных структурных функций q -го порядка для флуктуаций фазы принимаемых сигналов при небольшом временном разнесении. При этом мультифрактальный анализ записей флуктуаций фазы сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы с борта орбитального ИСЗ даже в условиях сильных возмущений в ионосфере фазы сигнала, когда измеряемые структурные функции флуктуаций амплитуды оказываются в насыщении и не позволяют извлечь информацию о мультифрактальной структуре даже мелкомасштабных ионосферных неоднородностей с размерами в несколько сотен метров.
В разделе 3.4 приведены результаты специального рассмотрения вопроса о возможном применении метода вейвлет-преобразования (ВП) и метода максимума модулей вейвлетпреобразований (ММВП), которые в последние годы стали активно применяться в исследованиях мультифрактальных свойств турбулентных потоков, для дистанционного зондирования мелкомасштабной ионосферной турбулентности.
В разделе 3.4.1. Приведены результаты специального теста на сингулярность реальной записи сигнала искусственного спутника при радиопросвечивании ионосферы.
Отмечается, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая наглядная математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса, хотя в действительности мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайным (турбулентными) процессами, которые в некотором инерционном интервале параметров исследуемого процесса имеют самоподобную (фрактальную) структуру.
В разделе 3.4.2. рассматриваются некоторые особенности применения вейвлетпреобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.
Проведено сравнение методов ММВП и простого ВП. Отмечается, что хотя простой метод ВП и работает лишь при q 0, но по сравнению с методом ММВП он имеет определенные физические преимущества, т.к. работает с прямыми измерениями ВП W (,ti ), которые непосредственно связаны с экспериментальными данными A(t) на всем интервале обработки T.
В разделе 3.4.3. рассматривается возможность применения стандартной схемы мультифрактальной обработки принимаемого сигнала с использованием метода ММВП (или ВП) в рамках концепции сингулярной меры для исследуемого квазиоднородного случайного процесса A(t) на локальном интервале наблюдений T. Отмечается, что лок такая обработка принимаемого сигнала практически невозможна в условиях квазистационарного поведения случайного процесса на локальном интервале ( A2(t) const ), в то же время, в этих условиях оказывается вполне работоспособной мультифрактальная обработка сигнала A(t) с помощью метода МСФ. Различие результатов применения двух методов объясняется тем, что при прямых (контактных) измерениях метод ММВП срабатывает как метод измеряемой сингулярной функции, а при дистанционных измерениях амплитуды ионосферного сигнала A(t), после дифракции его на турбулентном экране со смешанной структурой, можно ожидать, что ФсингулярныеФ особенности пространственных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы будут ФзамытыФ в принимаемом сигнале A(t) в зоне Фраунгофера относительно мелкомасштабных неоднородностей фазового экрана (неоднородного ионосферного слоя).
В этом случае определить реальную ФсингулярнуюФ структуру флуктуаций электронной концентрации N(r ) в мелкомасштабных неоднородностях ионосферной плазмы по дистанционно измеряемой записи флуктуаций амплитуды принимаемого сигнала A(t) невозможно.
В разделе 3.4.4. приведены результаты анализа применимости метода ММВП для изучения тонкой мультифрактальной структуры ионосферной турбулентности.
Предложенный и реализованный на практике метод максимумов модулей вейвлетпреобразования при исследовании мультифрактальной структуры атмосферной турбулентности рассматривается в концепции применимости для использования при изучении тонкой структуры ионосферной турбулентности.
Отмечается, что при дистанционном зондировании ионосферной турбулентности сигналами ИСЗ и их обработке методом ММВП возникают непреодолимые сложности, связанные с толщиной фазового экрана L, когда реальные значения L в ионосфере превышают допустимые для модели фазового экрана на несколько порядков. При этом в таком ФтолстомФ слое оказываются существенны дифракционные эффекты при распространении радиоволн, что, в конечном счете, приводит к ФзамываниюФ тонкой квазисингулярной структуры неоднородной ИТ и к невозможности диагностики ее методом ММВП при наземном приеме сигналов ИСЗ.
Предлагается для исследования тонкой структуры ИТ применять прямые зондовые измерения флуктуаций электронной концентрации N(x) с высокой частотой отсчетов отсч вдоль траектории космического аппарата в ионосфере (в F-слое ионосферы требуемые отсч 10кГц).
В четвертой главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований фрактальной структуры развитой мелкомасштабной турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением.
В разделе 4.1. приводятся результаты первых исследований мультифрактальной структуры развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности во время экспериментов по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ в 20052006 годах.
Установлено, что в условиях развитой МИТ характерные значения фрактальной размерности пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, как правило, близки к топологическому значению их пространства вложения, а истинные значения показателя спектра изотропной МИТ также мало отличаются от общепринятых номинальных значений его в пространстве вложения.
Тем не менее, даже небольшие отличия в указанных параметрах, обнаруженные в эксперименте, свидетельствуют о резко неравномерном распределении локальных фрактальных структур развитой МИТ в пространстве. Предложена стохастическая модель нестационарного процесса для быстрых флуктуаций амплитуды сигналов при распространении их в ионосфере с неоднородным распределением мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в пространстве. В конечном счете, именно это неоднородное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации и приводит к специфической мультифрактальной структуре записей амплитуды принимаемых сигналов. На рис. 1 представлены результаты обработки одного из сеансов записи амплитуды сигнала ИСЗ с использованием метода многомерных структурных функций при q 0, проведенного 29 марта 2006 года. Мультифрактальный спектр сигнала DA(q ) (рис. 1а) получен по 8192 точкам исходной записи. Мультистепенной спектр (рис.
1б) - зависимость показателей p3 мультистепенных спектров ФN (k) q q ионосферной турбулентности для разных q, построен для инерционного интервала 0,1 а с. На рис. 1в приведен обобщенный мультифрактальный спектр ионосферной турбулентности DN ( p3 ), который получен из рис.
q 1а и 1б на основе установленной в работе связи между DA и DN, q и p3. Истинные значения q показателей мультистепенного спектра естественной МИТ во время этого эксперимента б составляли 2, 47 p3 2,85, а значения q обобщенного мультифрактального спектра DN ( p3 ) заметно варьировались уже при q сравнительно незначительных изменениях показателя p3.
q В разделе 4.2 приводятся результаты исследований мультифрактальной структуры перемежаемости развитой ионосферной в турбулентности во время экспериментов по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ в 2005 2006 г.г.
Рис.1. Мультифрактальный спектр сигнала (а), мультистепенной (б) и обобщенный Показано, в частности, что определение мультифрактальный (в) спектры ионосферной турбулентности, полученные в сеансе связи с ИСЗ многомерных структурных функций флуктуаций марта 2006 г. с временем кульминации 14:06UT.
энергии принимаемых сигналов позволяет получить необходимую информацию о мультифрактальных спектрах исследуемого процесса рассеяния радиоволн в ионосфере. Экспериментальные данные о мультифрактальных спектрах медленных флуктуаций энергии принимаемых сигналов в условиях развитой мелкомасштабной турбулентности сопоставлены с существующими (в рамках статистической теории распространения радиоволн в ионосфере) представлениями о процессе рассеяния радиоволн. В результате сделан вывод о том, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости медленных флуктуаций энергии принимаемых сигналов является следствием перемежаемости мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров.
В разделе 4.3 рассмотрен вопрос о получении достоверных сведений для показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабной турбулентности ионосферы. Показано, что применение мультифрактального анализа в сочетании с синхронной корреляционной обработкой принимаемых сигналов в экспериментах по дистанционному радиозондированию ионосферы сигналами ИСЗ позволяет решить поставленную задачу. При этом измеряемые истинные значения показателей спектров локальной мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях и при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением могут заметно отличаться от значений, получаемых в рамках классического метода радиомерцаний с привлечением лишь корреляционной обработки. Методом многомерных структурных функций проведена мультифрактальная обработка принимаемых сигналов орбитальных спутников во время экспериментов по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы в естественных условиях. Приводятся данные о показателях мультистепенных локальных спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности.
В разделе 4.4 рассмотрены особенности мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности по результатам радиопросвечивания неоднородностей ионосферы сигналами спутников Земли с применением мультифрактальной обработки сигналов. В ходе мультифрактального анализа амплитуды сигналов обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров мелкомасштабных неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами ~(200250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с размерами ~(1215) км.
В разделе 4.5 представлены впервые выполненные с использованием метода радиопросвечивания среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных искусственных спутников Земли результаты исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности во время солнечного затмения 01.08.2008 г.. Измеренные в этом эксперименте мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности на начальной и завершающей стадиях затмения на космических радиотрассах разной ориентации оказались практически идентичными. Это обстоятельство может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственновременного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере в условиях геофизических возмущений, обусловленных глобальными физическими процессами в ионосферной плазме во время солнечного затмения.
В разделе 4.6 приводятся результаты первых экспериментальных исследований мультифрактальной структуры развитой искусственной ионосферной турбулентности. В результате специализированного мультифрактального анализа записей амплитуды сигналов от орбитальных искусственных спутников Земли, полученных в ходе эксперимента по радиотомографии искусственных неоднородностей, возбуждаемых в ионосфере мощным среднеширотным нагревным стендом СУРА, установлено, что специфическая мультифрактальная структура этих записей амплитуды является следствием неоднородного распределения в пространстве мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в искусственных неоднородностях ионосферной плазмы.
Проводится сравнительный анализ мультифрактальных спектров как собственно флуктуаций амплитуды, так и флуктуаций энергии сигналов, принимаемых от орбитальных искусственных спутников Земли после радиопросвечивания ими области искусственной ионосферной турбулентности, в трех приемных территориальноразнесенных на расстояния порядка (100150) км друг от друга пунктах наблюдения в районе нагревного стенда СУРА. Приводятся полученные данные о показателях мультистепенных локальных спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности.
В разделе 4.7 рассматриваются особенности применения фазового метода исследований мультифрактальной структуры околоземной плазмы, который базируется на измерении многомерных структурных функций для фазовых флуктуаций принимаемых на Земле сигналов от искусственных спутников и комических радиоисточников. Приводятся первые результаты мультифрактальной обработки фазовых записей сигналов, принятых от орбитальных ИСЗ во время работы нагревного стенда СУРА. Показано, что данный метод позволяет исследовать мультифрактальную структуру мелкомасштабных ионосферных неоднородностей с размерами от десятковЦсотен метров до единицЦдесятков километров даже в условиях сильных фазовых возмущений сигнала в ионосфере.
В разделе 4.8 приводятся результаты эксперимента по изучению мультифрактальной структуры (с размерами неоднородностей в десятки-сотни метров поперек магнитного поля Земли) искусственной ионосферной турбулентности при модификации среднеширотной ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением.
Экспериментальные исследования проводились на стенде СУРА с помощью радиозондирования возмущенной области ионосферной плазмы сигналами орбитальных спутников Земли. Изучалось влияние эффекта магнитного зенита на измеряемые мультифрактальные характеристики мелкомасштабной искусственной турбулентности среднеширотной ионосферы. При вертикальном радиозондировании возмущенной области ионосферы установлено довольно хорошее совпадение измеряемых мультистепенных и обобщенных мультифрактальных спектров турбулентности с аналогичными мультифрактальными характеристиками ионосферной турбулентности в естественных условиях. Этот результат объясняется определяющим вкладом в наблюдаемые флуктуации амплитуды принимаемых сигналов рассеяния их на слабых квазиизотропных мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации в толстом слое с характерным размером в несколько сотен километров над областью отражения волны накачки мощного коротковолнового радиоизлучения. При наклонном радиозондировании области возмущений под малыми углами между лучом зрения на спутник и направлением магнитного поля Земли обнаружена неоднородная структура мелкомасштабной турбулентности со сравнительно узким мультистепенным спектром и небольшими вариациями обобщенного мультифрактального спектра электронной концентрации. Такая довольно упорядоченная структура турбулентности объясняется влиянием эффекта магнитного зенита на генерацию анизотропной мелкомасштабной искусственной турбулентности в тонком слое с характерным размером в несколько десятков километров ниже уровня отражения волны накачки в верхней ионосфере. На рис.
2 приведен графики зависимости амплитуды сигнала ИСЗ №32052 и углов (KSI) между направлением радиолуча и геомагнитным полем для высоты 300 км от времени в сеансе связи 13 мая 2010 года, когда траектория этого спутника лежала в плоскости магнитного меридиана и пересекала точку магнитного зенита MZ (рис. 3).
Рис.2. Графики зависимости амплитуды Рис.3. Траектория ИСЗ №320сигнала ИСЗ №32052 и углов (KSI) между 13 мая 2010 года направлением радиолуча и геомагнитным полем для высоты 300 км от времени для сеанса связи 13 мая 2010 года В разделе 4.9 приведены сравнительные характеристики методов спектрального и мультифрактального анализа экспериментальных данных в исследования мелкомасштабной ионосферной турбулентности. Показано, что в отличие от метода спектрального анализа флуктуирующих сигналов, мультифрактальная обработка таких сигналов позволяет получать информацию не для одного измеряемого значения показателя амплитудного спектра pA, а для некоторого набора показателей скейлинга различного порядка q соответствующих структурных функций флуктуаций амплитуды принимаемого сигнала. В результате мы имеем дело с целым спектром значений параметров p3 и p2. Проанализировано поведение ширины p локального спектра q q исследуемой МИТ, определяемой как разность соответствующих значений параметров p3 и p2, взятых для двух фиксированных значений параметра q ( qmin q qmax ). Т.к.
q q ширина p искомого локального спектра МИТ является измеряемой величиной, не зависящей от модели неоднородного ионосферного слоя и способа радиозондирования его, то предлагается использовать ее в качестве индикатора реального состояния исследуемой МИТ и, в частности, для определения вида этой турбулентности (естественного или искусственного происхождения - p 0,3 в естественных условиях и p 0,15 - при модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением).
В пятой главе диссертации приведены первые результаты исследований фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений на средних широтах методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ.
В разделе 5.1 приведены результаты первого эксперимента по радиозондированию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ на частоте 150 МГц в спокойных геофизических условиях. С использованием фрактального подхода получены первые данные об источниках и механизмах генерации мелкомасштабных плазменных неоднородностей перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) в верхней ионосфере. Отмечается определяющая роль явления нелинейного разрушения акустикогравитационных волн, проникающих в ионосферу из нижележащей атмосферы, в формировании плазменных неоднородностей ПИВ.
Показана возможность аппроксимации слабых амплитудных флуктуаций в принимаемом сигнале за ионосферным слоем с квазистабильным ПИВ в форме M A t cos 2 fit i, (2) iт.е. в форме суммы M независимых синусоид с одинаковыми амплитудами и некратными частотами. Здесь M - целая часть фрактальной размерности DA(n), рассчитанная методом корреляционного интеграла (n - размерность пространства вложения) [9]; fi и i - пространственная частота и начальная фаза для i -ой спектральной компоненты в спектре ПИВ; - скорость луча зрения на ИСЗ на высотах ионосферы, t - время.
На рис.4 представлена зависимость DA(n), рассчитанная методом корреляционного интеграла по записи амплитуды сигнала ИСЗ на частоте 150 МГц для сеанса связи 23 июня 2004 года во время существования в ионосфере ПИВ.
Насыщение зависимости DA n для данной записи принимаемого сигнала наступает при DA 5,5, когда псевдофазовое пространство вложения равно n и хорошо согласуется с теоремой Такенса [9*], а M=5.
Рис.4. График зависимости фрактальной В разделе 5.2 приведены результаты размерности DA от размерности пространства исследований фрактальных свойств вложения n, рассчитанная методом корреляционного интеграла по записи мелкомасштабных неоднородностей амплитуды сигнала ИСЗ на частоте 150 МГц в сеансе связи 23 июня 2004 года во время перемещающихся ионосферных возмущений в существования в ионосфере ПИВ.
экспериментах по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ в 20042006 г.г. Наряду с корреляционной обработкой принимаемых сигналов был выполнен их мультифрактальный анализ, а также проведена обработка сигналов методом корреляционного интеграла. Получены сведения о фрактальных свойствах мелкомасштабной турбулентности для наименее изученного участка спектра неоднородностей верхней ионосферы с размерами l 110 км. Предполагается, что фрактальная структура этих неоднородностей может быть порождена нелинейным разрушением нескольких крупномасштабных синусоидальных структур в квазистабильном ПИВ. Отмечается также хорошее подобие мультифрактальных спектров флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов, полученных в экспериментах в разные годы, в различное время суток и разные сезоны наблюдений. Это свидетельствует о том, что перемежаемость является универсальным свойством плазменной турбулентности для среднеширотной верхней ионосферы.
В разделе 5.3 приводятся результаты исследований мультифрактальной структуры медленных (с длительностью 10 сек) флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов в экспериментах по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в 2004 2006 гг. Показано, в частности, что метод мультифрактального анализа записей амплитуды принимаемых сигналов позволяет получать информацию о спектре крупномасштабных ионосферных неоднородностей, которая недоступна классическому методу радиомерцаний. По результатам измерений с применением мультифрактальной обработки экспериментальных данных установлен степенной характер спектров крупномасштабных (с размерами в десятки километров) квазирегулярных неоднородностей электронной концентрации ПИВ. Именно со степенным характером пространственного спектра крупномасштабных неоднородностей ПИВ может быть связана наблюдаемая мультифрактальная структура перемежаемости медленных флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов. Но в условиях развитой мелкомасштабной турбулентности ПИВ наблюдаемая мультифрактальная структура принимаемых сигналов, как правило, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабных неоднородностей на масштабах, сравнимых с размерами крупномасштабных плазменных неоднородностей ПИВ.
В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Основные результаты 1. Разработаны теоретические основы метода исследования мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ. Решена задача дифракции радиоволн на неоднородном ионосферном слое с мультифрактальной структурой плазменной турбулентности в естественных условиях и при модификации среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением. Получены общие соотношения, связывающие измеряемые в эксперименте показатели спектров и фрактальные размерности записей амплитуды (фазы) принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с истинными показателями спектров неоднородной электронной концентрации и фрактальной размерностью пространства, занятого в ионосфере этими неоднородностями.
Впервые детально проанализированы возможности применения метода максимумов модулей вейвлет-преобразования флуктуирующих сигналов при дистанционном и зондовом исследованиях ионосферной турбулентности и показано, что данный метод применим только для зондовых исследований, а при анализе данных дистанционного зондирования следует применять метод многомерных структурных функций.
2. Впервые в мировой практике исследований турбулентности различных природных сред продемонстрирована возможность определения мультистепенных и обобщенных мультифрактальных спектров с помощью метода многомерных структурных функций.
Метод использовался для изучения мелкомасштабной ионосферной турбулентности при анализе мультифрактальной структуры записей амплитуды и фазы принимаемых сигналов от орбитальных ИСЗ в условиях нестационарности процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в случайно-неоднородной плазме. Показано, что мультистепенной спектр турбулентности отражает многообразие истинных значений показателей локальных спектров МИТ, которые присущи ей из-за неоднородного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в пространстве, а обобщенный мультифрактальный спектр МИТ характеризует неравномерное распределение в пространстве мелкомасштабных ионосферных неоднородностей для разных турбулентных структур с различными показателями мультистепенного спектра.
3. В экспериментах по дистанционному зондированию ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ впервые установлено, что истинное значение показателя спектра МИТ (р2,7), определяемое через показатель соответствующей структурной функции 2-го порядка флуктуаций амплитуды принимаемого сигнала может значительно отличаться от его значения (р3,8), вычисленного по стандартной методике спектрального анализа для стационарного случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. Установлено, что истинные значения показателей мультистепенного спектра естественной МИТ могут варьироваться в пределах (2,45р2,85) из-за реально существующей мультифрактальной структуры мелкомасштабной турбулентности электронной концентрации среднеширотной ионосферы.
4. Впервые были выполнены специализированные эксперименты на стенде СУРА по изучению мультифрактальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности при модификации среднеширотной ионосферы мощным КВ радиоизлучением.
Установлено, что при вертикальном радиозондировании обширной возмущенной области ионосферы наблюдается хорошее совпадение измеряемых мультистепенных и обобщенных мультифрактальных спектров мелкомасштабной турбулентности с аналогичными мультифрактальными характеристиками ионосферной турбулентности в естественных условиях, при этом ширина мультистепенных спектров МИИТ практически совпадала с аналогичной величиной их в естественных условиях (р0,3). Определяющий вклад в наблюдаемые флуктуации принимаемых сигналов оказывало рассеяние на слабых квазиизотропных мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации в толстом слое с характерным размеров в несколько сотен километров над областью отражения волны накачки мощного KB радиоизлучения.
При наклонном зондировании области возмущений под малыми углами между лучом зрения на спутник и направлением магнитного поля Земли обнаружена довольно упорядоченная структура мелкомасштабной искусственной турбулентности со сравнительно узким мультистепенным спектром флуктуаций электронной концентрации (р0,15), которая обусловлена возбуждением сильноанизотропной МИИТ в тонком слое с характерным размером в несколько десятков километров ниже уровня отражения волны накачки мощного КВ радиоизлучения в верхней ионосфере.
Показано, что различие характерных значений ширины р мультистепенных спектров исследуемой ионосферной турбулентности может быть использовано в качестве индикатора реального состояния МИТ и, в частности, для определения вида наблюдаемой ионосферной турбулентности (естественного или искусственного происхождения).
5. В экспериментах по радиопросвечиванию среднеширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ с применением мультифрактального анализа и фрактальной обработки принимаемых сигналов методом корреляционного интеграла установлено, что фрактальная структура мелкомасштабных неоднородностей ПИВ порождается нелинейным ФразрушениемФ всего нескольких (45) крупномасштабных синусоидальных волн с некратными собственными частотами в квазистабильном ПИВ. Обнаружено хорошее подобие мультифрактальных спектров амплитудных флуктуаций принимаемых сигналов, полученных в экспериментах в разные годы, в разное время суток и разные сезоны наблюдений.
6. По результатам измерений с применением мультифрактальной обработки экспериментальных данных установлен степенной характер спектров (с показателем р2) крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации ПИВ с размерами в десятки километров. Именно степенной характер спектров этих фокусирующих плазменных неоднородностей ПИВ служит основной причиной наблюдаемой мультифрактальной структуры перемежаемости медленных (10 с) амплитудных флуктуаций принимаемых сигналов от орбитальных ИСЗ.
Настоящая диссертационная работа фактически является первой системной работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы - изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Вместе с тем, уже сейчас можно констатировать, что совокупность полученных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных результатов по фрактальной структуре среднеширотной ионосферной турбулентности естественного и искусственного происхождения является крупным достижением в фундаментальных исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы.
Список основных публикаций по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Выборнов Ф.И., Ерухимов Л.М., Комраков Г.П. и др. Измерение спектра флуктуаций фазы и амплитуды сигналов ИСЗ при воздействии мощного радиоизлучения на ионосферу // Изв. вузов. Радиофизика, 1986. Т. 29, № 4. С. 491 - 494.
2. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Ерухимов Л.М., Митяков Н.А., Рахлин А.В. К вопросу о природе среднеширотного F-рассеяния // Изв. вузов. Радиофизика. 1994. Т.37, №11. С.
1447 - 1451.
3. Выборнов Ф.И., Ерухимов Л.М., Муравьева Н.В., Мясников Е.Н. Определение величины продольного геомагнитному полю внутреннего масштаба искусственной ионосферной турбулентности // Изв. вузов. Радиофизика, 1994. Т. 37, № 4. С. 521 - 525.
4. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Об одной особенности явления F-spread в среднеширотной ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 1995. Т. 38, № 10. С. 1064 - 1070.
5. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О роли крупномасштабных неоднородностей ионосферы в формировании среднеширотного F-spread // Изв. вузов.
Радиофизика. 1996.Т. 39, № 5. С. 564 - 567.
6. Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. Особенности поведения индекcа среднеширотного F-рассеяния // Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40, №3. С. 322 - 328.
7. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Некоторые результаты синхронных экспериментальных исследований искусственного F-spread на радиофизических полигонах Нижегородской области // Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 6. С. 688 - 691.
8. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Модель взаимодействия ДКВМ-ДМВ радиоволн с сильно неоднородной среднеширотной ионосферой // Изв. вузов.
Радиофизика. 1997. Т. 40, № 11. С.1323 - 1341.
9. Выборнов Ф.И., Крупеня Н.Д., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. Анализ появляемости перемещающихся ионосферных возмущений типа УсерпФ на средних широтах. рассеяния // Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 12. С. 1455 - 1461.
10. Выборнов Ф.И., Зырянова М.С., Митякова Э.Е., Рахлин А.В., Фридман В.М., Шейнер О.А. О связи проявлений солнечной активности с характеристиками естественных ионосферных возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41, №2. С.
215 - 217.
11. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Токарев Ю.В., Бужере Ж.-Л..и др. Наземные и космические исследования среднеширотного F-spread // Известия вузов. Радиофизика.
2000. Т. 43, № 9. С. 755 - 765.
12 Frolov V.L., Chugurin V.V., Komrakov G.P., Mityakov N.A., Myasnikov E.N., Rapoport V.O., Sergeev E.N., Uryadov V.P., Vybornov F.I., Ivanov V.A., Shumaev V.V., Nasyrov A.M., Nasyrov I.A., Groves K.M. Study of large-scalе irregularities generated in the ionospheric Fregion by high-power HF waves // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43, № 6. С. 497 - 519.
13. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Караштин А.Н. и др. Распределение электронной концентрации в верхней ионосфере в условиях среднеширотного F-spread // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2002. Т. 45, № 3. С. 207 - 213.
14. Алимов В.А., Рахлин А.В., Выборнов Ф.И. Об одной модификации метода мерцаний // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, №.8. С. 611 - 618.
15. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Анизотропная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности мерцаний // Изв. вузов. Радиофизика.
2005. Т. 48, №.5. С. 382 - 387.
16. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О мелкомасштабных плазменных неоднородностях перемещающихся ионосферных возмущений // Изв. вузов. Радиофизика.
2006. Т. 49, №.7. С. 561 - 569.
17. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальных свойствах мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50, №4. С. 300 - 308.
18. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальной структуре мелкомасштабных перемещающихся ионосферных возмущений // Изв. вузов.
Радиофизика. 2008. Т. 51, №1. С. 22 - 30.
19. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальной структуре крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации перемещающихся возмущений в среднеширотной ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, №3. С.
191 - 198.
20. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О некоторых особенностях фрактальной структуры развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Изв. вузов.
Радиофизика. 2008. Т. 51, №4. С. 287 - 294.
21. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Мультифрактальная структура перемежаемости развитой ионосферной турбулентности // Известия ВУЗов. Радиофизика.
2008. Т. 51, № 6. С. 485 - 493.
22. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. К вопросу об истинных значениях показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Известия ВУЗов.
Радиофизика. 2008. Т. 51, № 7. С. 571 - 574.
23. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Мясников Е.Н., Рахлин А.В. О фрактальной структуре искусственной ионосферной турбулентности // Известия ВУЗов. Радиофизика.
2008. Т. 51, № 11. С. 970 - 976.
24. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О мультистепенном спектре мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, №1. С. 14 - 22.
25. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Об одной особенности мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности во время солнечного затмения 1 августа 2008 года // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 4. С.302 - 306.
26. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Мясников Е.Н., Рахлин А.В. Фролов В.Л. Эффект магнитного зенита и некоторые особенности мультифрактальной структуры мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности // Известия ВУЗов.
Радиофизика. 2009. Т. 52, № 9. С. 679 - 689.
27. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Особенности мультифрактальной структуры мелкомасштабной среднеширотной ионосферной турбулентности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7, № 3.
С. 89 - 93.
28. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Фазовый метод исследования фрактальной структуры турбулентности ионосферной плазмы // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, №1. С. 295 - 302.
29. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Исследование эффекта магнитного зенита методом радиопросвечивания ионосферы сигналами искусственных спутников Земли на частоте 400 МГц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 94 - 99.
Другие издания 30. Vybornov F.I., Erukhimov L.M., Murav'eva N.V., Myasnikov E.N. Spectrum form of artificial ionospheric turbulence in the geomagnetic field direction. In: Preceeding of III URSI Symposium on Modification of the Ionosphere by Powerful Radio Waves (ISIM - 3) // Moscow. 1991. P.87 - 88.
31. Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. Отклик ионосферы на возмущение мощной радиоволной // Препринт НИРФИ № 376. Н.Новгород. 1993. 27 с.
32. Митяков Н.А., Митякова Э.Е., Рахлин А.В., Выборнов Ф.И. Возмущения ионосферы, обусловленные ростом технического потенциала человечества // Препринт НИРФИ № 402. Н.Новгород. 1994. 14 с.
33. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Методика экспериментальных исследований статистических характеристик радиоволн при вертикальном зондировании ионосферы и наземном приеме МВ-ДМВ сигналов орбитальных ИСЗ Транзит // Препринт НИРФИ № 414. Н.Новгород. 1995. 15 с.
34. Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. Особенности поведения индекса Fрассеяния среднеширотной ионосферы с 1964 по 1992 гг.Вестник Верхне-Волжского отделения Академии технологических наук Российской Федерации. Ч.1. Нижний Новгород. 1998. С. 164 - 167.
35. Murav'eva N.V., Myacnikov E.N. Vybornov F.I., Kosolapenko V.I. Model of Large-scale Field-Aligned artificial irregularities Modified by HF Radiation. V International Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere. Suzdal. August 26 - 29. 1998. P. 48.
36. Grach S.M., Fridman V.M., Podstrigach T.S., Snegirev S.D., Vybornov F.I. Observations of Stimulated Electromagnetic Emissions of the Ionosphere in Decimeter Wavelength Range V International Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere. Suzdal. August 26 - 29. 1998. P. 38.
37. Erukhimov L.M., Boiko G.N., Frolov V.L., Komrakov G.P., Mitiakov N.A., Rapoport V.O., Vybornov F.I. Heating Interferometer for the Ionosphere. V International Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere. Suzdal. August 26 - 29. 1998. P.42.
38. Vybornov F.I., Mityakova I.E., Rakhlin A.V. and all. Manifestation of Solar Activity in Ionospheric Disturbances Parameters // Proc. 9-th European Meeting on Solar Physics, УMagnetic Fields and Solar ProcessesФ. Florence, Italy, 12-18 September 1999 (ESA SP448,Desember 1999). P.1009 - 1011.
39. Рапопорт В.О., Выборнов Ф.И., Митяков Н.А. Параметрическое возбуждение внутренних гравитационных волн в F-слое ионосферы мощным коротковолновым излучением. Препринт НИРФИ №453. Нижний Новгород. 1999. 20 с.
40. Mityakov N.A., Rapoport V.O., Vybornov F.I. Generation of Internal Gravitational Waves by Periodic Heating of an Ionospere by Using УSuraФ Facility.Abstracts. The First SRamp Conference. Sapporo, Japan; October 2 - 6, 2000. P.405.
41. Алимов А.В., Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. Особенности явления искусственного F-spread в среднеширотной ионосфере. Физические проблемы экологии (экологическая физика): Сборник научных трудов. - Москва. МАКСПресс. 2002. №9. 1с. С. 6 - 15.
42. Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В., Крупеня Н.Д. Морфологические особенности перемещающихся возмущений в ионосфере средних широт. Труды XX Всероссийской научной конференции УРаспространение радиоволнФ. 2-4 июля 2002 года.
Нижний Новгород. - 526 с. С. 40 - 41.
43. Выборнов Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин А.В. О возможности моделирования процессов FЧрассеяния в среднеширотной ионосфере // Солнечно-земная физика. Вып. (115). Иркутск, 2002. С. 280 - 281.
44. Митяков Н.А., Митякова Э.Е., Рахлин А. В., Выборнов Ф.И. О роли антропогенных факторов в явлении УКосмическая погодаФ // Солнечно-земная физика. Вып. 2 (115).
Иркутск, 2002. С. 282 - 283.
45. Выборнов Ф.И., Зырянова М.С., Митякова Э.Е., Рахлин А.В., Фридман В.М., Шейнер О.А. Характеристики F-рассеяния среднеширотной ионосферы как факторы космической погоды // Солнечно-земная физика. Вып. 2 (115). Иркутск, 2002. С. 284 - 285.
46. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О дифракции флуктуирующего излучения на турбулентном фазовом экране // Труды (Восьмой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 80-тилетию со дня рождения Б.Н. Гершмана.7 мая 2004. ред.
А.В. Якимов. Н.Новгород: ТАЛАМ, 2004. 276 с. С. 52 - 53.
47. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Анизотропная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Труды (Восьмой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 80-тилетию со дня рождения Б.Н. Гершмана.мая 2004. ред. А.В. Якимов. Н.Новгород: ТАЛАМ, 2004. 276 с. С. 54 - 55.
48. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальных свойствах мелкомасштабных неоднородностей среднеширотной ионосферы // Материалы научнометодической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Юбилейный выпуск. Часть 2. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ФВГАВТФ, 2005 - 288 с.
49. Выборнов Ф.И. Применение элементов фрактального анализа при обработке данных лабораторных измерений. // Физика в системе современного образования (ФССО07): Материалы девятой международной конференции. Санкт-Петербург, 4 - 8 июня 20г. Т. 1. - СПб.: РПГУ им. А.И. Герцена. 2007. - 504 с. С. 200 - 203.
50. Выборнов Ф.И., Чандаева С.А. Современный вариант лабораторной установки для изучения эффекта Доплера. // Физика в системе современного образования (ФССО-07):
Материалы девятой международной конференции, Санкт-Петербург, 4 - 8 июня 2007 г. Т.
1. - СПб.: РПГУ им. А.И. Герцена. 2007. - 504 с. С. 203 - 204.
51. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Перемежаемость развитой ионосферной турбулентности // Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Труды международной научной конференции ФИзлучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2007Ф. Т.2. - Таганрог, изд-во ТТИЮФО, 2007. - 257 с. С. 27 - 31.
52. Alimov A. V., Vybornov F.I., Rakhlin A. V. About Artificial Ionospheric Turbulence Veritable Indicaters Significances of the Spectrum // VII International Suzdal URSI Simposium.
Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves. October 16-18, 2007, Moscow. Troitsk.
2007. P. 9.
53. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Мясников Е.Н., Рахлин А.В. Спектральные измерения флуктуаций сигналов ИСЗ на частотах 150, 400 МГц при воздействии мощного радиоизлучения на ионосферу // Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов Транспорт - XXI век. ФГОУ ВПО ВГАВТ. Н.Новгород. 2007. C.427 - 428.
54. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальной структуре развитой турбулентности среднеширотной ионосферы // Труды XXV Всероссийского симпозиума ФРадиолокационное исследование природных средФ. Выпуск 7. Санкт-Петербург. 17Цапреля 2007 г. Изд. ЦНИИ МО РФ. 2009. г. Санкт-Петербург. - 666 c. С. 565 - 571.
55. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Мясников Е.Н., Рахлин А.В., Фролов В.Л.
Исследование эффекта магнитного зенита по результатам наблюдений за искусственной ионосферной турбулентностью XXII Всероссийская научная конференция УРаспространение радиоволнФ РРВ-22 г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 22 - 26 сентября 2008 г.
Труды симпозиума. Том II - Ростов-на-Дону: изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2008. - 2с. С. 179 - 181.
56. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. О фрактальной структуре развитой искусственной ионосферной турбулентности // XXII Всероссийская научная конференция УРаспространение радиоволнФ РРВ-22 г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 22 - 26 сентября 2008 г.
Труды симпозиума. Том II - Ростов-на-Дону: изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2008. - 2с. С. 182 - 185.
57. Алимов В.А., Выборнов Ф.И., Рахлин А.В. Некоторые особенности перспективных исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования // Препринт №528. - Нижний Новгород: ФГНУ НИРФИ. 2009. - 30 с.
58. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Об особенности исследований тонкой мультифрактальной структуры ионосферной турбулентности // Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений: V междунар. конф., с. Паратунка, Камчат. Край, 2-августа 2010 г.: сб. докл./ Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН, 2010. - 497 с. С.
268 - 270.
59. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. О пространственно-неоднородной структуре мелкомасштабной турбулентности среднеширотной ионосферы // Солнечноземные связи и физика предвестников землетрясений: V междунар. конф., с. Паратунка, Камчат. Край, 2-7 августа 2010 г.: сб. докл./ Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН, 2010. - 497 с. С. 270 - 274.
60. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Методы спектрального и мультифрактального анализа в исследованиях мелкомасштабной ионосферной турбулентности // Препринт №535. - Нижний Новгород: ФГНУ НИРФИ, 2010. - 16 с.
61. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Рахлин А.В. Фазовый метод исследования мультифрактальной структуры ионосферной плазмы // Труды XIV научной конференции по радиофизике, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова (Нижний Новгород, 7 мая 2010 г.) /Под ред. С.М. Грача, А.В. Якимова. Нижний Новгород: ННГУ, 2010. - 368 с. С. 79 - 80.
62. Выборнов Ф.И. Особенности применения фазового метода для исследования мультифрактальной структуры ионосферы. // ХХIII Всероссийская научная конференция Распространение радиоволн, 23Ц26 мая 2011 г. в 3 т. / редкол.: Д. С. Лукин и др.
Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет. 2011. Т.1: Доклады.
432 с. С. 189 - 191.
63. Выборнов Ф.И., Алимов В.А., Котик Д.С., Рахлин А.В. О случае аномальных флуктуаций сигнала ИСЗ на частоте 400 МГц при радиопросвечивании области магнитного зенита искусственно возмущенной ионосферы // ХХIII Всероссийская научная конференция Распространение радиоволн, 23Ц26 мая 2011 г. в 3 т. / редкол.: Д. С. Лукин и др. Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет. 2011. Т.2:
Доклады. - 308 с. С. 210 - 213.
Список цитируемой литературы 1*. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосферной и космической плазме. - М.: Наука. 1984. 392 с.
2*. Fremouw E.J., Leadabrand R.L., Livingston R.C. and et. Early results from the DNA Wideband satellite experiment - Complex-signal scintillation // Radio sci. 1978. V. 13. N 1. P.
167 - 187.
3*. Солодовников Г.К. Синельников В.М. Крохмальников Е.Б. Дистанционное зондирование ионосферы Земли с использованием радиомаяков космических аппаратов. - М: Наука, 1988. 191 с.
4*. Татарский В.И. Распространение радиоволн в турбулентной атмосфере. - М.: Наука.
1967. 548 c.
5*. Фриш У. Турбулентность. Наследие А.Н. Колмогорова. М.: ФАЗИС. 1998. 346 с.
6*. Зосимов В.В., Лямшев Л.М. Фракталы в волновых процессах // УФН, 1995. Т. 165, № 4. С. 361 - 402.
7*. Рабинович М.И., Сущик М.М. Регулярная и хаотическая динамика структур в течениях жидкости // УФН. 1990. Т.160, № 1. С. 3 - 64.
8*. Павлов А.Н., Анищенко В.С. Мультифрактальный анализ сложных сигналов // УФН.
2007. Т. 177, № 8. С. 859 - 876.
9*. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. - М.:
Университетская книга. 2005. 848 с.