ITU-R P 532-1 FRENCH-1992 Ionospheric Effects and Operational Considerations Associated with Artificial Modification of the Ionosphere and the Radio-Wave Channel《与电离层和无线电波信道的人工修正有关.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.532-1 1 RECOMMANDATION UIT-R P.532-1*EFFETS IONOSPHRIQUES ET PROBLMES DEXPLOITATION LIS LA MODIFICATION ARTIFICIELLE DE LIONOSPHRE ET DU CANAL RADIOLECTRIQUE (1978-1992) Rec 532-1 LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) quune modification artificielle de lionosphre et

2、du canal radiolectrique peut tre provoque par des puissances radiolectriques provenant dmetteurs terrestres (ou spatiaux); b) quil peut se produire une modification de lionosphre, notamment dans la rgion F, du fait de lexistence dune puissance surfacique leve dans la gamme de frquences de 2 12 MHz e

3、nviron, surtout aux grands angles de rayonnement et aux frquences juste infrieures aux MUF de rfrence de la couche au voisinage de lincidence verticale, et que de telles modifications peuvent permettre la propagation des frquences allant jusqu 400 MHz environ et sur des distances allant jusqu 4 000

4、km; c) quon sait depuis longtemps quil peut se produire un phnomne de transmodulation en ondes kilomtriques et hectomtriques lorsque des missions de puissance surfacique leve traversent lionosphre; d) que, si les administrations ne mettent pas un frein la croissance des puissances dmission, lionosph

5、re pourra se trouver dfavorablement affecte, avec ce rsultat que tant les services faisant appel lionosphre comme milieu de propagation que les services en ondes mtriques par onde de sol risquent de subir une dgradation la rception; e) quil est possible de modifier lionosphre par linjection de racti

6、fs chimiques, de constituants photo-ionisables, de particules nergtiques et autres lments, lesquels affecteront la distribution naturelle des composants du milieu et ses caractristiques; f) que des modifications involontaires ou fortuites peuvent tre provoques par des processus ractifs lis des lance

7、ments de fuses; g) quune modification artificielle du milieu peut induire de nouveaux modes transitoires de propagation entranant une augmentation (ou une diminution) ventuelle de la zone de service par rapport celle value au moyen des mthodes classiques de prvision de la propagation des ondes radio

8、lectriques, recommande que lon tienne compte des points suivants pour la planification et lexploitation de systmes de radiocom-munication utilisant lionosphre: 1. les renseignements contenus dans lAnnexe 1 devraient tre utiliss pour dterminer les modifications de lionosphre provoques par des mission

9、s dondes radiolectriques de grande puissance propages par lionosphre; 2. les formules donnes lAnnexe 2 devraient tre utilises pour dterminer les effets de la modification de lionosphre sur les transmissions dondes radiolectriques (transmodulation); 3. les renseignements contenus dans lAnnexe 3 devra

10、ient tre utiliss pour dterminer les modifications de lionosphre provoques par des missions transionosphriques dondes radiolectriques; 4. les renseignements contenus dans lAnnexe 4 devraient tre utiliss pour dterminer les modifications de lionosphre rsultant de linjection de ractifs chimiques, recomm

11、ande en outre 5. que lon veille rduire les puissances surfaciques excessives cres, aux altitudes de lionosphre, des frquences allant jusqu 12 MHz environ, et que lon prenne des mesures cet effet; 6. que, pour les systmes dexploitation de radiocommunication, toute modification intentionnelle de liono

12、sphre qui aurait des effets nuisibles sur les services dautres usagers soit dcourage. _ *La Commission dtudes 3 des radiocommunications a apport des modifications rdactionnelles cette Recommandation en 2000 conformment aux dispositions de la Rsolution UIT-R 44. 2 Rec. UIT-R P.532-1 ANNEXE 1 Modifica

13、tions de lionosphre provoques par des missions radiolectriques de grande puissance, partir du sol 1. Introduction La modification du plasma ionosphrique par des missions radiolectriques de grande puissance se dcompose en un chauffement ionosphrique ohmique, qui est un processus non linaire mais clas

14、sique, et en la gnration dinstabilits paramtriques par des processus non linaires dinteraction dondes. La plupart des expriences de modification de lionosphre ont t faites en ondes dcamtriques, et elles concernent le plus souvent la production de changements dans lionosphre suprieure (150-400 km) au

15、 moyen dmetteurs construits cet effet, fonctionnant des frquences proches des frquences critiques de la rgion F. Si la frquence modificatrice est infrieure la frquence critique, la modification est dite sur-dense; en revanche, si elle est suprieure la frquence critique, la modification est dite sous

16、-dense. Lionosphre peut tre sensiblement modifie par une mission radiolectrique oblique de grande puissance des frquences considrablement suprieures la frquence critique de la rgion F de lionosphre. Des metteurs fonctionnant des frquences des bandes stendant des ondes myriamtriques aux ondes dcimtri

17、ques provoquent des modifications dans toutes les rgions de lionosphre. La rgion ainsi modifie peut avoir un effet important sur les signaux de radiocommunication qui la traversent. 2. Thorie de lchauffement ohmique Des travaux thoriques ont suggr que lchauffement du plasma par dissipation ohmique d

18、evrait produire des changements grande chelle de la temprature lectronique et par suite de la densit lectronique et dautres paramtres. Beaucoup de phnomnes non linaires tiennent au fait que la frquence de collision dpend de la temprature lectronique. La thorie simplifie montre comment lchauffement o

19、hmique peut se produire. Une onde de champ lectrique E et de frquence angulaire est considre comme traversant une couche de plasma ionosphrique avec une frquence de collision effective entre lectrons et ions ou neutres. Ce champ agit sur les lectrons, de masse m et de charge e, et les acclre. Mais l

20、es collisions les retardent et de lnergie est extraite de londe, ce qui a pour rsultat une augmentation de la temprature lectronique. Bien que les lectrons deviennent plus chauds, ils ne transfrent quune petite partie de leur nergie excdentaire aux ions ou aux neutres durant les collisions, car la m

21、asse de ces lectrons est beaucoup plus faible que celle des ions ou des neutres. Dans la rgion F, la frquence de collision lectron-ion est 103/s, la fraction de la perte dnergie par collision est 104et la constante de temps pour la perte dnergie est donc environ de 10 s. Ce faible taux de perte rend

22、 possible un chauffement apprciable des lectrons. Lchauffement de la rgion E est moins facile. Ici, la frquence de collision lectron-neutre est environ 2 105/s, la perte dnergie fractionnelle par collision est 5 103et par consquent, la constante de temps pour la perte dnergie est seulement environ 1

23、 ms. Une forte absorption de londe radiolectrique incidente se produit dans la rgion o la frquence du plasma lectronique est proche de la frquence radiolectrique. Ceci est d au fait que londe est ralentie prs de cette rsonance naturelle, et que les lectrons ont davantage de chances de heurter les pa

24、rticules lourdes. Le champ lectrique ncessaire pour produire une forte perturbation thermique de la temprature du plasma ionosphrique et, pour , varie denviron 3 104f (mV/m) dans les rgions D et E jusqu environ 104f (mV/m) dans la rgion F; f est la frquence de londe perturbatrice (Hz). Ces champs im

25、pliquent des puissances isotropes rayonnes quivalentes denviron 100 MW. 3. Thorie de linstabilit paramtrique Linstabilit paramtrique onde-plasma implique gnralement une interaction trois ondes. Dans le contexte dune modification de lionosphre, une onde lectromagntique dcamtrique de grande puissance

26、fournit le champ moteur initial dont lnergie cascade en une onde de plasma lectronique lectrostatique de frquence infrieure et en une onde acoustique ionique de frquence infrieure. Rec. UIT-R P.532-1 3 Le mcanisme non linaire responsable de la plupart des instabilits paramtriques dans lionosphre est

27、 la force de pression thermique. Les perturbations de la temprature des lectrons dues lchauffement par londe introduisent une force de pression thermique supplmentaire dans lquation du mouvement des lectrons, et donnent naissance des irrgularits ionosphriques alignes sur les lignes de force du champ

28、. 4. Effets de modification Certains effets importants de modification causs par des ondes radiolectriques dcamtriques (et dautres frquences) chauffantes sont dcrits ci-aprs. Aux altitudes infrieures 200 km, les lectrons heurtent surtout des neutres, la frquence de collision augmente avec la temprat

29、ure et les ondes radiolectriques fortes sont absorbes plus que les faibles. Au-dessus de 200 km, l o les lectrons heurtent surtout des ions, la frquence de collision diminue avec la temprature et les ondes radiolectriques fortes sont absorbes moins que les faibles. Des perturbations de la densit lec

30、tronique se produisent si lchauffement est maintenu pendant un temps suffisamment long. Une augmentation de la densit lectronique se produit des altitudes infrieures environ 200 km. Aux altitudes suprieures, dans la rgion F, les tempratures lectroniques leves correspondent une augmentation de pressi

31、on qui provoque un coulement du plasma hors de la rgion chauffe le long des lignes de force du champ gomagntique. Lnergie lectromagntique est alors concentre dans la rgion de densit lectronique rduite, ce qui conduit un nouvel chauffement et une nouvelle expansion. Il en rsulte des irrgularits grand

32、e chelle de la densit lectronique dans la rgion F, alignes le long des lignes de force du champ gomagntique et avec des dimensions transverses denviron 1 km. Un autre rsultat de ce processus dautoconcentration thermique est la production dun F-diffus artificiel. Lun des effets inattendus des premire

33、s expriences de modification de lionosphre par des ondes dcamtriques a t la production dirrgularits de petite chelle (environ 1 m) alignes sur les lignes de force du champ, qui rtrodiffusent les ondes mtriques et dcimtriques. Ces irrgularits sont probablement gnres environ 200 m en dessous de la hau

34、teur de rflexion de londe dcamtrique chauffante, l o son effet dchauffement est le plus grand. Pour des puissances suprieures un certain seuil, on a observ que le signal reu diminue lorsque la puissance apparente rayonne (p.a.r.) augmente. On a constat aussi que dans le champ dune onde de grande pui

35、ssance incidence oblique, de frquence voisine de la MUF de la couche F2, une modification se produisait dans lionosphre normale, modification qui peut avoir un effet considrable sur les caractristiques des signaux radiolectriques qui traversent cette perturbation. Non seulement les ondes dcamtriques

36、 de grande puissance peuvent provoquer des modifications de la haute ionosphre, mais encore ces mmes ondes, mises sous forme dimpulsions, peuvent engendrer des ondes myriamtriques et plus longues encore du fait de modifications produites dans la basse ionosphre. Le fait que des ondes myriamtriques e

37、t plus longues avaient t apparemment engendres par des missions de radiodiffusion ondes hectomtriques et kilomtriques a t mis en vidence aux latitudes leves. Ces signaux peuvent chauffer la rgion aurorale D ou E, en modulant llectrojet auroral qui met son tour des signaux de longueur donde myriamtri

38、que ou suprieure. Une injection commande de signaux en ondes myriamtriques par des metteurs au sol provoque une prcipitation dlectrons depuis les ceintures de rayonnement, qui augmente lionisation aux altitudes de lionosphre. Les prcipitations dlectrons qui se produisent naturellement ont une intens

39、it qui varie dans une gamme beaucoup plus grande que celle des prcipitations provoques artificiellement que lon a observes. 5. Diffusion de signaux radiolectriques par des irrgularits induites artificiellement Avec une p.i.r.e. de 0,5 MW ou plus, des irrgularits grande chelle et petite chelle de la

40、densit lectronique, alignes le long des lignes de force du champ magntique terrestre se produisent quelques secondes aprs la mise en fonctionnement de lmetteur, la suite de lchauffement ohmique et de lapparition de certaines instabilits paramtriques et des ondes de plasma. Pour les signaux radiolect

41、riques traversant la rgion perturbe, la consquence est que, sur les trajets dont les deux terminaux sont au sol ainsi que sur les trajets Terre-espace, la profondeur et le taux des vanouissements augmentent. De plus, en raison des irrgularits alignes le long des lignes de force du champ magntique, i

42、l se produit aux altitudes comprises entre 250 et 300 km dans lionosphre, un effet rflecteur comparable celui dun radar de grande section transversale ( 105 109m2). Ces effets se manifestent lorsque la frquence de lmetteur qui produit la chaleur est infrieure la frquence critique de la rgion F ( 12

43、MHz), mais concide avec la frquence de plasma une certaine altitude dans lionosphre. 4 Rec. UIT-R P.532-1 Les proprits de diffusion des irrgularits alignes le long des lignes de force du champ magntique ont t utilises pour assurer diverses transmissions tlphoniques, tlex, fac-simil, impulsions entre

44、 des terminaux au sol spars par des milliers de kilomtres sur des frquences allant des ondes dcamtriques aux ondes dcimtriques qui, sans cela, nauraient pu tre employes sur ces trajets. Dans la rgion F, la diffusion est assez nettement sensible la directivit. Aussi les points o les signaux sont reus

45、 sur la Terre grce ce mcanisme de diffusion dpendent-ils en partie de la position gomagntique et de la hauteur de la rgion de lionosphre qui a t modifie. En gnral, les signaux peuvent tre reus dans une zone situe du ct quatorial de la rgion modifie, zone trs tendue dans la direction est-ouest et pou

46、vant atteindre environ 4 000 km, alors quelle nest que de 200 500 km dans la direction nord-sud. On peut galement crer une rgion forte diffusion une altitude voisine de 110 km dans la rgion E lorsque lmetteur produisant lchauffement fonctionne des frquences infrieures la frquence critique de la rgio

47、n E. Les observations concernant la diffusion dans la rgion E pendant le phnomne de modification sont plus rares, mais nanmoins elles tendent montrer que la diffusion est moins sensible la directivit que dans la rgion F et quainsi les zones de rception des signaux au sol sont plus tendues dans la direction nord-sud que dans le cas de la diffusion dans la rgion F. Daprs les rsultats des tudes mentionnes ci-dessus, il s