В работе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований явлений, связанных с существованием в Е-области ионосферы слоя повышенной ионизации – спорадического слоя Е (Es). Исследования основаны на диагностике нижней ионосферы методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы (ИПН), создаваемых в поле стоячей волны, образующейся при отражении от ионосферы мощного высокочастотного радиоизлучения. Эксперименты выполнены в 2007-2017 гг. на среднеширотном нагревном стенде СУРА (56.1 N, 46.1 W) НИРФИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Использование метода, основанного на создании и локации ИПН, позволяет обнаруживать даже очень слабые спорадические слои, недоступные регистрации ионозондами. Измерение амплитуды и фазы сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями на стадии их разрушения (релаксации) после окончания воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением, позволяет определять многие параметры нейтральной и ионизованной компоненты нижней ионосферы и, в том числе, слоя Es.
В исследованиях спорадического слоя E методом ИПН основное внимание было уделено трем направлениям. Первое из них: измерение скорости вертикального движения плазмы, исследование влияния вертикального переноса на образование и динамику спорадических слоев ионизации, экспериментальная проверка теории ветрового сдвига. Второе направление: определение на основе измерений амплитуды и фазы рассеянного сигнала характеристик слоя Es – электронной концентрации, относительных концентраций положительных атомарных металлических и молекулярных «атмосферных» ионов, массы или сорта преобладающих металлических ионов, образующих слой, оценка эффективного коэффициента рекомбинации на высотах слоя Es. Третье направление: влияние искусственного воздействия на образование и характеристики спорадического слоя E, влияние слоя Es на параметры сигнала, рассеянного периодическими неоднородностями. По результатам экспериментов получен большой объем данных о высотно-временных вариациях скорости вертикального движения плазмы, которая на указанных высотах совпадает со скоростью нейтральной компоненты. Измерения скорости вертикального движения использованы для расчетов характеристик среднеширотного спорадического слоя E: относительного содержания метеорных и атмосферных ионов, эффективного коэффициента рекомбинации. Применение метода создания ИПН практически одновременно на двух частотах позволило измерить профиль электронной концентрации в области Е, включая и слой Es.
Анализ высотной зависимости времени релаксации рассеянного сигнала показал, что на высоте слоя Es на графике появляются локальные максимумы, в которых величина времени релаксации возрастает иногда в несколько раз. Причинами этого роста являются превышение электронной концентрации в слое Es над фоновой концентрацией E-области и существование в слое долгоживущих атомарных металлических ионов, в том числе тяжелых, с массами, значительно превышающими массы основных молекулярных атмосферных ионов. Так как релаксация периодических неоднородностей в Е-области обусловлена амбиполярной диффузией, то время релаксации ИПН пропорционально произведению массы ионов на частоту соударений ионов с нейтральными молекулами. На этой основе был разработан способ оценки масс преобладающих ионов в слое, то есть фактически способ определения сорта ионов, сгонка которых в магнитном поле Земли под действием неоднородного ветра может приводить к образованию слоя Es. Получено, что в большинстве наблюдений такими ионами могли быть ионы железа и кальция.
Исследовано влияние дополнительного (по отношению к созданию ИПН) нагрева ионосферы на характеристики рассеянных сигналов. При периодическом воздействии на ионосферу радиоволнами обыкновенной (необыкновенной) поляризации с образованием искусственных периодических неоднородностей наблюдалось увеличение интенсивностей всех сигналов, рассеянных областями D, E, F и спорадическим слоем E, в среднем на 5–20 дБ. Это новый эффект, который впервые наблюдался в экспериментах по исследованию ионосферы методом ИПН. Эффект являлся резонансным и при отстройке частоты пробной волны на 85 кГц пропадал. Усиление сигналов при воздействии на ионосферу объяснено модуляцией естественного профиля электронной концентрации искусственно создаваемой периодической структурой. При усилении всех сигналов при нагреве часто происходило разделение (расслоение) слоя Es на два близко лежащих слоя с разностью высот 1–3 км, что, вероятно, можно объяснить образованием спорадического слоя E из разных сортов металлических ионов, высоты максимумов концентраций которых отличались на несколько километров.
Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках гранта № 18-05-00293 (расчеты параметров слоя Es) и государственного задания Минобрнауки по проекту № 5.8092.2017/8.9 (обработка результатов измерений скорости вертикального движения плазмы).