Моделирование распространения коротковолнового радиосигнала в ионосфере Земли при наличии искусственных плазменных образований

В докладе представлен численный алгоритм для расчёта структуры волновых полей при распространении коротковолнового радиосигнала в ионосфере Земли. Для компьютерного моделирования характеристик неоднородной среды, в которой распространяется электромагнитная волна, была выбрана стандартная модель International Reference Ionosphere 2001. Эта же модель содержит и модель магнитного поля Земли, которая использовалась при вычислении эффективной диэлектрической проницаемости ионосферной плазмы. Модельные данные, задающие пространственную структуру ионосферной плазмы, были сглажены с помощью кубических сглаживающих сплайнов с окном от 0.1 МГц до 0.25 МГц по плазменной частоте.
Расчет распространения радиосигнала проведен с учетом плазменных неоднородностей на трассе распространения сигнала, возникающих в ионосфере при работе жидкостных ракетных двигателей. Распределение параметров в исследуемом искусственном плазменном образовании (ИПО) зависит от сочетания трех его составных частей:
1) плазма, образующаяся непосредственно в камере ЖРД; она определяется малой степенью ионизации факела: под воздействием геомагнитного поля ; этот поток плазмы ЖРД принимает различные формы в зависимости от угла между осью струи и вектором ;
2) газоплазменное образование (ГПО), возникающее в нейтральном потоке струи за счет торможения ионосферного потока на газовой струе ЖРД и фотоионизации нейтральных компонентов струи излучением Солнца;
3) в общее распределение концентрации плазмы в ГПО около ТГК дает вклад обеднение концентрации в ионосферном фоне за счет рекомбинации ионов О+ в струе ЖРД
Уровни равной электронной плотности таких ИПО имеют сложную пространственную структуру, причем размеры «отрицательного» ядра оказываются малы по сравнению с размерами области докритической плазмы (в которой происходит рефракция радиолучей области). Это приводит к большой разнице длины пути лучей внутри плазмы в зависимости от угла падения и точки входа луча в неоднородность. Несмотря на большие размеры плазменного образования, из-за такой ее структуры следует ожидать трудностей расчета методом геометрической оптики (ГО). Из качественного анализа ясно, что существуют такие направления рассеяния, где возможны значительные дифракционные эффекты. Так, лучи, входящие в плазменную неоднородность вблизи ее острой кромки, должны резко отклоняться на сравнительно малом пути, расходимость лучевой трубки вдоль упомянутых лучей сильно возрастает и можно ожидать нарушений применимости ГО. Причем, это может наблюдаться в случае как падающих, так и отраженных лучей, и дифракционные эффекты возможны не только при обратном, но и при двухпозиционном рассеянии.
Амплитуда электромагнитного поля в областях фокусировки была представлена в форме одномерного интеграла от быстро осциллирующей функции на основе метода канонического оператора Маслова (КОМ). Все функции, входящие в состав такого интегрального представления строятся в рамках метода бихарактеристик на основе численного интегрирования системы из шести обыкновенных дифференциальных уравнений. Для дополнительного контроля точности интегрирования этой системы дифференциальных уравнений использовалось дисперсионное соотношение – инвариант данной системы уравнений. При создании программы, выполняющей интегрирование системы обыкновенных дифференциальных уравнений, использовался модифицированный метод Кутты – Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования.
Экспериментальные исследования влияния ИПО на распространение коротковолнового радиосигнала в ионосфере Земли проводятся в рамках космического эксперимента «Радар-Прогресс» с помощью наземных средств радионаблюления Иркутсткого института солнечно-земной физики СО РАН. В состав средств наблюдения входят радар некогерентного рассеяния, ионосферный дигизонд DPS-4, приемный коротковолновый комплекс.
В докладе представлены результаты экспериментальных исследований, теоретических расчетов методом КОМ и сравнения полученного решения с решением, которое строится в рамках метода геометрической оптики. В областях, где метод геометрической оптики применим, оба решения отличаются не более чем на один процент. Разработанные нами численные алгоритмы и программные пакеты позволяют «довести до числа» решение широкого класса физических задач.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.