Принципы работы

Основным режимом работы когерентного декаметрового радара является наблюдение за характеристиками мелкомасштабных (декаметровых) неоднородностей F-слоя ионосферы с целью исследования закономерностей их движения. В рамках существующих моделей таких неоднородностей их движение связывается со структурой электрических и магнитных полей в точке рассеяния, и позволяет оценивать направление и абсолютную величину электрического поля в широком диапазоне азимутов и дальностей. Знание структуры электрического поля в широком диапазоне долгот и широт позволяет исследовать процессы конвекции в ионосфере, изучая, тем самым, динамику системы ионосфера-магнитосфера и ее отклики на естественные и искусственные возмущения.

Кроме того, существуют много вспомогательных режимов работы когерентного радара, включающих в себя:

• исследование ионосферы методом возврато-наклонного зондирования за счет приема отраженного от земли сигнала;
• исследование характеристик неоднородностей E-слоя ионосферы;
• исследование динамики и харатеристик нейтральной атмосферы по результатам рассеяния на метеорных следах и т.д.

Физический механизм работы такого радара приведен (согласно [Milan et al, Interferometric evidence for the observation of ground backscatter originating behind the CUTLASS coherent HF radars// Ann. Geophys., 15, 29-39, doi:10.1007/s00585-997-0029-y]) на рисунке ниже

Работа когерентного радара заключается в посылке радиосигнала специальной формы, который распространяется в ионосфере и рассеивается на неоднородностях среды встречающихся на его пути. Часть мощности посланного сигнала возвращается в место излучения в виде отраженного сигнала и принимается радаром. Форма излучаемого радиосигнала и методика обработки результатов позволяет с одной стороны обеспечивать хорошее пространственное разрешение (точность определения дальности до неоднородностей) определения неоднородностей, с другой стороны - обеcпечивать хорошее спектральное разрешение (точность определения скорости неоднородностей). Согласно принципам обратного рассеяния, отражение назад является наиболее интенсивным для неоднородностей с характерными масштабами порядка половины излучаемой длины волны, поэтому когерентные радары чувствительны к плазменным неоднородностям с характерными размерами порядка нескольких десятков метров. Разница частот излученного и принимаемого сигналов в рамках общепринятой на настоящее время модели неоднородностей для высот 150-450 км характеризует скорость перемещения неоднородности под действием перекрещенных электрического поля в ионосфере и магнитного поля Земли. Несмотря на то, что теория формирования и развития подобных неоднородностей в настоящее время еще далека от завершения, экспериментальные исследования показывают неплохое соответствие подобной упрощенной модели с экспериментальными результатами, получаемыми на когерентных радарах.

В настоящее время существует большое количество различных радаров, объединенных общей структурой, близкой аппаратурой и близким программным обеспечением, позволяющим обрабатывать данные зондирования практически идентично и сосредоточить усилия на научных вопросах интерпретации данных, получаемых с помощью таких радаров. Такая сеть радаров известна под названием SuperDARN (Super Dual Auroral Radar Network, SD). В настоящее время имеется 18 радаров в Северном полушарии и 8 в Южном. В будущем планируется расширение сети для получения недостающей информации о конвекции полярной ионосферы со стороны евроазиатского региона. SuperDARN - это международный проект, в котором активно участвуют 12 стран: Исландия, Канада, Финляндия, Франция, Италия, Япония, Великобритания, Австралия, США, ЮАР, Новая Зеландия и Китай. Каждый радар финансируется отдельным исследовательским агентством или комбинацией агентств. Приближенная карта покрытия радаров приведена на рисунке ниже

Необходимо отметить, что наблюдение когерентного эха от ионосферных неоднородностей на радарах SD возможно только при соблюдении определенных (раккурсных) условий распространения радиоволн. Угол между волновым вектором излучаемой волны и направлением силовых линий магнитного поля Земли, вдоль которых формируются вытянутые мелкомасштабные ионосферные неоднородности, на высотах ионосферы должен составлять приблизительно 90 градусов. Такие условия при распространении коротких радиоволн выполняются в полярных и приполярных областях, что в свою очередь обусловливает высокую практическую ценность сети SuperDARN для исследований полярной ионосферы, магнитосферы, взаимодействия магнитосферы и ионосферы, а также взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы.

Пример карт конвекции, получаемых при помощи радаров SuperDARN, приведен на рисунке ниже

Исследования, проводимые когерентными радарами декаметрового диапазона дают вклад в развитие многих научных областей, связанных с изучением космической погоды, таких как:

• Мониторинг и изучение динамики магнитосферы, включая ее динамику во время магнитосферных бурь и суббурь;
  Основу методик составляет исследование процессов конвекции в ионосфере по данным рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях F-слоя ионосферы, в основном скорости их перемещения. Скорость движния неоднородностей на этих высотах в основном вызвана движением частиц в перекрестных электрическом и магнитном полях. Её анализ дает возможность восстановить направление и амплитуду электрического поля и получить возможность изучать по процессы, происходящие в магнитосфере Земли, как результат проекции магнитосферы на высокоширотные области ионосферы по магнитным силовым линиям. Более подробно можно прочитать например в
  [G. Chisham et al., A decade of the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN): scientific achievements, new techniques and future directions//Surveys in Geophysics, 28(1), pp. 33-109, DOI: 10.1007/s10712-007-9017-8]
  
• Мониторинг и изучение динамики ионосферы, включая изучение крупномасштабных атмосферных неоднородностей и волн;
  Основу методик составляет исследование процессов распространения радиоволн в неоднородной ионосфере до и после отражения от земли (возвратно-наклонное зондирования). По изменениям групповой задержки, модового состава и углов прихода существует возможность оценить изменения характеристик ионосферы в области точки отражения и проводить тем самым диагностику ионосферы в нескольких точках трассы одновременно.Более подробно можно прочитать, например, в
  [He L.-S. et al, Studies of medium scale travelling ionospheric disturbances using TIGER SuperDARN radar sea echo observations// Ann. Geophys., 22, 4077-4088, doi:10.5194/angeo-22-4077-2004, 2004.]
  
• Мониторинг и изучение нейтральной атмосферы по результатам исследования метеоров и метеорных следов;
  Основу методик составляет исследование процессов рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях ионизации, формирующихся после пролета метеоров - метеорных следах. Вытянутый характер этих неоднородностей формирует существенную амплитуду сигнала перпендикулярно большой оси неоднородностей, дающий возможность обнаружения сигналов. Скорость движения и время жизни неоднородностей на этих высотах в основном связана с процессами диссипации и переноса и позволяет оценить скорость ветра (нейтрального ветра) и частоты столкновений частиц.
  Подробнее можно прочитать, например, в [ Arnold, N.F. et al., Comparison of D-region Doppler drift winds measured by the SuperDARN Finland HF radar over an annual cycle using the Kiruna VHF meteor radar// Ann. Geophys., 21, 2073-2082, doi:10.5194/angeo-21-2073-2003, 2003. ]
  
• Мониторинг и изучение мелкомасштабных плазменных неоднородностей — естественных и искусственных;
  Основу методик составляет исследование процессов рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях E- и F-слоя ионосферы, чаще всего ориентированными вдоль магнитного поля Земли. Возникновение таких неоднородностей может вызываться как естественными причинами, например геомагнитными бурями и суббурями, так и работой нагревных стендов, формирующих в малой области над нагревным стендом слой подобных неоднородностей.
  Подробнее можно прочитать, например, в [Blagoveshchenskaya, N. F. et al: Phenomena induced by powerful HF pumping towards magnetic zenith with a frequency near the F-region critical frequency and the third electron gyro harmonic frequency// Ann. Geophys., 27, 131-145, doi:10.5194/angeo-27-131-2009, 2009. ]
  
• Мониторинг и изучение высокоширотных феноменов, включая полярные мезосферные эхо;
  Основу методик составляет исследование процессов рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях E- и F-слоя ионосферы, и изучение их ракурсных характеристик и суточной динамики. Подобные феномены часто наблюдаются вблизи зон с оптической авророй (полярными сияниями), и являются в основном высокоширотным эффектом

Расположение сектора обзора нашего первого радара относительно полей обзора действующих радаров SuperDARN приближенно показано на рисунке ниже (фиолетовым цветом)

Подробный список публикаций по методикам и результам работы радаров SuperDARN можно найти здесь