F-рассеяние

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:

• $f_{0}{\rm {F2}}$ — критическая частота ионизированного слоя F2 (максимальное значение плазменной частоты для обыкновенной компоненты волны);
• ${\rm {M(3000)F2}}$ — коэффициент распространения (где ${\rm {M(3000)F2}}={\frac {{\mbox{МПЧ}}_{3000}}{f_{0}{\rm {F2}}}}$, ${\mbox{МПЧ}}_{3000}$ — максимальная применимая частота сигнала, отражённого от ионосферы и падающего на землю на расстоянии 3000 км от источника излучения);
• $h'{\rm {F}}$ — 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 $f_{0}{\rm {F2}}$, 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 $f_{0}{\rm {F2}}$ ставится символ ${\rm {U}}$;
• 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:

• $\alpha$ — рассеянный тип;
• $\beta$ — вилообразный тип;
• $\gamma$ — шпорообразный тип (характеризует рассеяние по частоте);
• $\delta$ — тип рассеяния по высоте;
• $\epsilon$ — 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 ${\frac {1}{k^{2}}}$ для интенсивных неоднородностей, где $k$ — постоянная Больцмана;
• появление неоднородностей с особенно малыми размерами $l_{\perp }$, где $l_{\perp }$ — 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 $l_{\perp }$ экваториальных плазменных пузырей (областей с обеднением плазмы);
• построить очень простые модели их поведения;
• объяснить и смоделировать набор маломасштабных по $l_{\perp }$ 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.

Источники

• Брюнелли Б. Е., Намгаладзе В. В. Физика ионосферы / Отв. ред. Г. С. Иванов-Холодный, М. И. Пудовкин. М.: Наука, 1988. 527 с, ил. ISBN 5-02-000716-1.
• Гершман Б. Н., Казимировский Э. С., Кокоуров В. Д., Чернобровкина Н. А. Явление F‑рассеяния в ионосфере / Отв. ред. член-корр. АН ТССР Н. М. Ерофеев. Рецензенты В. М. Поляков, Л. А. Щепкин. М.: Наука, 1984. 141 с. Ил. 65, табл. 2. Библиогр. 383 назв.
• Поляков В. М., Щепкин Л. А., Казимировский Э. С., Кокоуров В. Д. Ионосферные процессы / Отв. ред. В. Е. Степанов. Новосибирск: Наука, 1968. 536 с, ил.
• Толковый словарь по радиофизике. Основные термины (с эквивалентами на английском языке) / Руководитель авторского коллектива д-р филол. наук А. С. Герд. М.: Рус. яз., 1993. 358 с. ISBN 5-200-01662-7.