ВАЖНЕЙШИЕ научныЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

по проблеме «Распространение радиоволн»,

рекомендуемые в отчет о деятельности

Российской академии наук в 2011 году

 

1. При радиозондировании околосолнечной плазмы сигналами космических аппаратов в спектрах флуктуаций частоты впервые обнаружены квазипериодические флуктуации с периодами 3-5 минут, что является доказательством существования в области ускорения плазмы волн магнитозвукового типа. Магнитозвуковые волны генерируются во внутреннем солнечном ветре при нелинейных взаимодействиях альвеновских волн с выделенными периодами 5-минутного диапазона, распространяющихся из основания короны.

(ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Пущинская Радиоастрономическая Обсерватория ФИАН им. П.Н.Лебедева, Астрономический институт им.Аргеландера Боннского университета, Институт окружающей среды Кёльнского университета).

Аннотация.

В результате анализа данных, полученных в экспериментах радиозондирования солнечного ветра сигналами космических аппаратов ULYSSES (1991, 1995), GALILEO (1996/1997, 2002), MARS-EXPRESS (2004, 2006, 2008/2009), VENUS-EXPRESS (2006), ROSETTA (2006), во временных спектрах флуктуаций частоты зондирующих плазму сигналов впервые обнаружены квазипериодические компоненты. Выделенная квазипериоди-ческая модуляция носит спорадический характер и присутствует в 20 % времени наблюдения. Характерное время жизни квазипериодических возмущений около 30 мин. Средняя частота максимума спектральной плотности составляет νmax≈5.5 миллигерц (период флуктуаций около 3 минут) в области гелиоцентрических расстояний менее 8 радиусов Солнца. На дистанциях, превышающих 10RS, средняя частота квазипериодических флуктуаций νmax≈4.3 мГц (период около 4 минут). Относительная ширина спектральной линии Δν/νmax и превышение спектральной плотности над фоновым значением g=Gmax/G0 остаются неизменными на расстояниях от 4 до 40 солнечных радиусов и составляют в среднем 1.0 и 2.9 соответственно. Ответственные за флуктуации частоты квазипериодические флуктуации плотности плазмы во внутреннем солнечном ветре могут быть объяснены магнитозвуковыми волнами, генерируемыми локально за счет нелинейных взаимодействий распространяющимися из внутренней короны альвеновских волн 5-минутного диапазона, которые по нашим оценкам играют существенную роль в энергетическом балансе короны и солнечного ветра.

 

2. Сформулирован и подтвержден экспериментально путем  анализа радиозатменных данных критерий (принцип локальности), при выполнении которого  слой находится в перигее зондирующего радиолуча.  Критерий позволяет найти высоту, наклон, а также пространственное смещение  ионосферного или  атмосферного слоя относительно перигея радиолуча при спутниковом  радиозондировании атмосфер и ионосфер Земли и планет.

 (ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН (Россия), GFZ-Potsdam (Germany). CSRSR NCU (Taiwan)).  

Аннотация.

Сформулирован и подтвержден экспериментально путем  анализа радиозатменных данных критерий (принцип локальности), при выполнении которого  слой находится в перигее радиолуча. В критерии используется ранее обнаруженная связь  между вариациями рефракционных ослаблений, определенных по изменениям амплитуды и фазы радиоволн, прошедших через атмосферу (ионосферу) Земли или планеты. На основе указанной связи получено необходимое и достаточное условие, при выполнении которого тангенциальная точка слоя, где градиент показателя преломления перпендикулярен лучевой траектории, совпадает с перигеем радиолуча.  Критерий позволяет найти высоту, наклон,  а также пространственное смещение  ионосферного или  атмосферного слоя относительно перигея радиолуча при  радиозондировании атмосфер и ионосфер планет и Земли, что существенно расширяет возможности исследования слоистых структур на спутниковых трассах. Развитая методика позволяет раздельно измерять характеристики турбулентных и слоистых  образований, а также  может, быть применена при определении направления распространения и частоты внутренних волн в ионосфере и атмосфере.

 

3. Доказано, что периодическое воздействие мощным КВ радиоизлучением на ионосферу Земли приводит к генерации (усилению) перемещающихся ионосферных возмущений, распространяющихся от возмущённой области ионосферы. Характеристики обнаруженных перемещающихся возмущений близки к характеристикам внутренних гравитационных волн.

 (ФГБНУ НИРФИ, Н.Новгород, Россия, МГУ им М.В.Ломоносова, г.Москва, Россия, Институт ионосферы МОН и НАН Украины, г.Харьков, Украина, Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, г.Харьков, Украина).

Аннотация.

Эксперименты по обнаружению генерации перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) и изучению их свойств проводились на стенде Сура (ФГБНУ НИРФИ, Нижний Новгород, Россия) с использованием таких методов диагностики ионосферных возмущений, как:

1)   радар некогерентного рассеяния, расположенный вблизи г. Харьков;

2)   доплеровский радар для вертикального зондирования ионосферы, расположенный вблизи г.Харьков;

3)   низкоорбитальная спутниковая радиотомография;

4)   приема сигналов GPS/ГЛОНАСС.

При проведении измерений с использованием различных режимов излучения мощной радиоволны (частота, мощность, поляризация, длительность и период повторения импульсов) были обнаружены ПИВ, которые имели следующие характеристики:

·        скорость распространения от возмущённой области (ВО) ионосферы в направлении диагностического пункта (г. Харьков) составляет 300-500 м/с;

·        пространственный период возмущений составлял 200-250 км;

·        период наиболее эффективно возбуждаемых возмущений составлял десятки минут;

·        относительная амплитуда возмущений концентрации электронов составляет 1-4 % (до 10 % в отдельных случаях).

Отмечается, что генерация ПИВ более эффективна при использовании для нагрева ионосферы мощных радиоволн О-поляризации, когда они отражаются вблизи максимума её F2-слоя.

Наблюдаемый эффект можно объяснить генерацией внутренних гравитационных волн периодическим нагревом ионосферной плазмы в режиме близком к симметричному меандру с частотой меньше или порядка частоты Брента-Вяйсяля и последующим их распространением от возмущённой области ионосферы.

 

4. Развита аналитическая теория аберраций эйконала в апертуре главного зеркала осесимметричной двухзеркальной телескопической системы. На основе полученной формулы, включающей три члена разложения эйконала по степеням смещения источника из фокуса, найдены соотношения параметров, обеспечивающих минимальные аберрации, в частности, отсутствие комы и астигматизма. Методом физической оптики проведено исследование синтезированных двухзеркальных апланатов-анастигматов, которое показало возможность реализации многолучевого режима работы телескопической системы в рекордно широких углах.

(ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН).

Аннотация.

Двухзеркальные системы получили широкое распространение в качестве радиотелескопов и двухзеркальных антенн. В последнее время для получения изображения в реальном времени предлагается использование многолучевого режима работы двухзеркальных телескопов с использованием приемных матриц. Многолучевые двухзеркальные антенны находят свое применение в космической связи. При этом для обеспечения широкого угла обзора можно использовать апланатические системы, в частности, системы Шаврцшильда. Широкоугольность классических систем ограничивается аберрациями типа «астигматизма». В данной работе на основе развитой аналитической теории аберраций эйконала двухзеркальных телескопических систем были получены соотношения, обеспечивающие минимальное значение астигматизма, что позволяет, в частности, при величине диаметра главного зеркала порядка 100 длин волн обеспечить угол зрения более 500.

Результаты получены в рамках выполнения НИР по программе ОФН РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека».

 

5. Впервые экспериментально установлен и теоретически подтвержден порог по мощности, необходимой для прохождения филаментом ультракороткого лазерного импульса в воздухе через фокус оптической системы. Построена физическая модель филамента, которая в отличие от известных моделей, представляющих его как волновод, множество фокусов, объясняет феномен прохождения филамента через линейный фокус. Модель представляет филамент волновой структурой, близкой по форме к пространственному диссипативному солитону, устойчивость которого обеспечивается балансом обобщенных сил, действующих между филаментом и энергетической периферией пучка. Эти силы обусловлены эффектами керровской самофокусировки, дифракции, дефокусировкой и диссипативными процессами в плазме. Модель объясняет также эффекты самовосстановления филамента после непрозрачного экрана, насыщение его продольного размера при мощностях, во много раз превышающих критическую мощность.

(Институт оптики атмосферы СО РАН).

Аннотация.

Важным разделом физики нелинейных волн выступает явление самофокусировки света. Проблема самофокусировки света имеет почти пятидесятилетнюю историю [R.W.Boyd, S.G.Lukishova, Y.R.Shen. Self-focusing: Past and Present. New York: Springer (2009), 605 p.]. Как справедливо отмечалось в [Маненков А.А. // УФН, 181 (2011)], история исследований самофокусировки не завершилась. Она продолжается и дополняется новыми страницами. Этому способствуют вызовы времени: практическая потребность использования в науке и в технологиях новых поколений лазеров – мощных фемтосекундных. Это утверждение относится и к атмосферно-оптическим исследованиям. Распространение мощных ультракоротких лазерных импульсов имеет ярко нелинейный характер. При самофокусировке в воздухе возникает нелинейный фокус, что отражает формирование экстремального состояния световой волны. Далее вдоль дистанции из фокуса прорастает пространственно устойчивый волновой канал, светящаяся часть которого называется филаментом.

Распределение интенсивности по поперечным координатам в филаменте во многом подобно структуре диссипативного пространственного солитона. Однако применить к описанию эволюции филамента теорию физики солитонов не удалось. Это свидетельствует о том, что филаменты образуют отдельный специфический класс нелинейных волн, что проявляется не только в их морфологии, но и при их взаимодействиях. Анализ наработанного экспериментального материала, получение новых экспериментальных данных позволяют в настоящее время разработать современный вариант теории самофокусировки, углубив известные знания и построить ее новые модели. Это особо важно для атмосферных условий распространения, где филаменты играют первостепенную роль в задаче о передаче большой интенсивности лазерного пучка на протяженные дистанции. Особо в построении модели нуждается проблема множественной филаментации, характеризующаяся генерацией большого числа филаментов, взаимодействующих друг с другом.

В лабораторных условиях по самофокусировке света эксперименты обычно проводят с использованием пучков, фокусируемых линзой либо зеркалом. Таковыми были и первые эксперименты, установившие эффект самофокусировки в жидкости [Пилипецкий Н.Ф., Рустамов А.Р. Письма в ЖЭТФ, 2, 88 (1965); Аскарьян Г.А., Дианов Х.А., Мухамаджанов М. Письма в ЖЭТФ, 14, 452 (1971)] и в твердом теле [M. Hercher. JOSA, 54, 563 (1964)]. При физической интерпретации основное внимание уделялось описанию поведения световой волны вблизи нелинейного фокуса (проблема коллапса). Сам филамент рассматривался достаточно протяженным, поэтому изучение задачи о его эволюции проводилось в рамках модели самофокусировки колимированного пучка. Так появились модели волновода, множества фокусов (движущихся фокусов), солитона, а также модель энергетического резервуара (области пучка, внешней к филаменту), когда филамент поддерживается за счет рефокусировок. Основой всех этих моделей является геометрооптический подход. Для фокусированного излучения становится важным эффект протягивания филамента через линейный фокус оптической системы, где дифракционные эффекты играют решающую роль. Ни одна из выше перечисленных моделей не объясняет этот эффект. Таким образом, указанные модели являются неполными, и достоверность их применения для описания нового класса эффектов, которые возникают при взаимодействии многих филаментов при распространении широкоапертурных мощных пучков, является сомнительной.

Предложенная физическая модель описывает все известные эффекты, связанные с поведением филамента (эффект самовосстановления филамента после его экранирования непрозрачным диском с диаметром, соответствующим поперечному размеру филамента; насыщение продольного масштаба филамента при его эволюции вдоль трассы в области мощностей, во много раз превышающих критическую мощность и др.).

 

 

Председатель Научного совета РАН

по распространению радиоволн

д.ф.-м.н., профессор                                                                                      Д.С.Лукин