Введение Работы по исследованию спорадического слоя E ведутся многие десятилетия [Mathews, 1979, 1998, Budden, 1961, Whitehead, 1989, Haldoupis, 2003, 2011, Bakhmet’eva, 1999, 2005 и др.]. Спорадический слой E отличает с одной стороны высокая интенсивность (электронная концентрация в Es слое может в несколько раз превышать концентрацию окружающего регулярного слоя Е), с другой стороны очень малая толщина (~1 км). В связи с этими особенностями, данный слой имеет, отличную от других слоев ионосферы, зависимость высоты и амплитуды отражений от частоты. Поэтому в 70-80 годах 20 века были популярны исследования амплитудно-частотных характеристик(АЧХ) отражений от Es слоя при вертикальном зондировании ионосферы. Особенный интерес был вызван картинами квазипериодических биений на АЧХ, из-за интерференции или взаимодействия нескольких магнитоионных мод. Такие биения называют поляризационным федингом. Основные исследования поляризационного фединга на АЧХ слоя Es выполнялись в работах [Chessel, 1971a, 1971b, Turunen, 1980, Jalonen, 1981], а при отражениях от слоя F в [Дробжев, 1975]. В [Chessel, 1971a; 1971b] рассматриваются диапазоны полупрозрачности спорадического слоя Es на основе механизмов взаимодействия магнитоионных мод, а также приведены модельные расчеты коэффициентов отражения, передачи, преломления и полутолщины слоя Es в различных геофизических условиях. В [Jalonen, 1981] проведён анализ ионограмм вертикального зондирования, высокоширотных станций и найдены экспериментальные свидетельства биений на АЧХ слоёв E и Es, также отмечается уменьшение шага между последовательными интерференционными минимумами и приводится интерпретация биений в рамках интерференции и взаимодействия двух магнитоионных мод с обыкновенной поляризацией. Для средних широт на следах Es характерно увеличение шага между последовательными интерференционными минимумами и фединг обычно объясняется интерференцией О- и Х-мод [Юсупов, 2011, Акчурин, 2011]. Из-за очень малой толщины (~1 км) Es слоя, отличить интерференцию О- и Х-мод от интерференции двух О-мод чрезвычайно трудно. Задача упрощается, если провести аналогию с биениями на следах слоя F, которые детально были исследованы в [Дробжев, 1975]. Данная работа посвящена исследованию биений при отражениях от ионосферы на средних широтах, как уже описанных так и неописанных раннее, с целью обобщения всех типов «поляризационных биений». Подобное исследование стало возможным, благодаря особенностям системы управления ионозонда «Циклон».Аппаратура и методы визуализации данных вертикального зондирования ионосферыДля изучения быстроизменяющихся процессов, происходящих в ионосфере, в феврале 2010 года была модернизирована система управления ионозондом «Циклон» [Акчурин, 2010]. После модернизации ионозонд имеет следующие характеристики: 1) пиковая мощность зондирующего сигнала 10кВт. 2) длительность зондирующего импульса 70мкс. 3) частотный диапазон зондирования 1-9МГц. 3) время зондирования  20с. В стандартном режиме ионозонд «Циклон» получает одну ионограмму в минуту.            В настоящее время не существует надёжных полностью автоматических (без участия оператора) методов получения высотных профилей электронной концентрации из ионограмм вертикального зондирования. Поэтому, с одной стороны высокое временное разрешение ионозонда «Циклон» (1 ионограмма в минуту), позволяет получить новые данные о динамике ионосферы, с другой стороны крайне сложно обеспечить ручную обработку столь большого объема данных. Для решения этой проблемы, в Казанском Федеральном Университете были разработаны алгоритмы наглядной визуализации большого потока ионограмм в виде итоговых сводных карт состояния ионосферы (A-, H-,As-карты) [Юсупов, 2011, Akchurin, 2011].             А-карта (амплитудная карта) это временной ход амплитудно-частотной характеристики отраженного сигнала, H-карта (высотная карта) это временной ход высотно-частотной характеристики отраженного сигнала, As-карта это временной ход суммарной амплитуды (по всем частотам) отраженного сигнала. As-карта схожа с радарными методами наблюдения за ионосферой и с известными представлениями результатов вертикального зондирования в виде RTI-имиджев [Haldoupis, 2006, Lynn, 2011, Harris, 2016]. На рисунке 1 проиллюстрирован процесс получения сводных карт состояния ионосферы. На рисунке 1a представлен пример инограммы. Для получения А-карт ищутся максимумы амплитуды для каждой частоты (рисунок 1b), для получения H-карт ищутся высоты соответствующие максимумам амплитуды (рисунок 1c), для получения As-карт для каждой высоты находится суммарная по всем частотам амплитуда (рисунок 1d).   Рисунок 1. Схема работы алгоритма получения сводных карт состояния ионосферы.Далее для каждого момента времени (соответствующей ему ионограммы) описанная выше процедура повторяется. При построении А- и H-карт отдельно для E- и F- областей, ионограмма разделяется на два высотных интервала 1-200км и 200-600км, соответственно. На рисунке 2 приведены сводные карты состояния ионосферы за 22 августа 2013 года.  Рисунок 2. a) A-карта для F-области; b) A-карта для E-области; c) H-карта для F-области; d) H-карта для E-области; e) As-карта. Из рисунка 2 видно, сводные карты состояния ионосферы наглядно иллюстрируют вариации амплитуды отражённого сигнала, вариации высоты отражённого сигнала и вариации действующих высот слоев ионосферы. По сводным картам можно легко проанализировать вариации критических частот слоев ионосферы. В данной работе, сводные карты состояния ионосферы используются для изучения биений на ионосферных следах при вертикальном зондировании. 2.1. Вариации амплитуд сигналов отражённых от слоя F              В [Дробжев, 1975] биения (поляризационный фединг) при отражении сигнала от слоя F были детально исследованы и было показано, что биения могут служить дополнительным источником информации о фоновой концентрации нижней части ионосферы. Также в этой работе исследовались вариации точки нулевых биений (частоты зондирования, где разность действующих высот о- и х-мод стремится к нулю). К сожалению эти работы производились на аналоговой технике. Данные не сохранялись на цифровой носитель, а анализировались по фотографиям осциллограмм.            На рисунке 3а приведён пример ионограммы ионозонда «Циклон» с биениями при отражении сигнала от слоя F (по типу О- и X-мод). На рисунке 3б высотно-частотные характеристики для О- и X-мод, а на рисунке 3в АЧХ F-слоя. На рисунках отмечена точка нулевых биений f*, характерной особенностью вариаций АЧХ при отражении от слоя F является наличие двух интервалов с разными свойствами. На первом интервале (до точки нулевых биений) наблюдается последовательное увеличение разности частот между минимумами, а на втором (после точки нулевых биений) последовательное уменьшение разности частот между минимумами.  Рисунок 3. а) Пример ионограммы с биениями по типу О- и Х-мод на следах слоя F; б) высотно-частотные характеристики О- и Х-мод следов слоя F; в) АЧХ F-слоя для данной ионограммы, показывающая картину поляризационного фединга. Символ f* – отмечает частоту нулевых биений. Сама точка нулевых биений является либо минимумом либо максимумом, при этом на А-карте формируется узор в виде кольца (пример на рис.4.a). При расщеплении слоя F на F1 и F2, возможно наблюдение биений как при отражении сигнала от слоя F1 так и при отражении от слоя F2 (пример на рис.4.б). При отражении сигнала от слоя F можно также наблюдать биения О- и Z- мод (когда след необыкновенной Z-моды расположен в нижней частотной частотной области по отношению к О-моде), но для средних широт это чрезвычайно редкое явление, оно более характерно для полярных широт. Частотное расстояние между минимумами с которых начинаются квазипериодические вариации равно ~38 кГц, применение формулы ∆h=c/(2∆f) дает разницу действующих высот отражения в ~3.9 км между обыкновенной и необыкновенной модами. Таким образом биения начинаются (заканчиваются) при сближении (при удалении) следов разной поляризации на величину ~3.9 км при длительности зондирующего импульса ионозонда 70мкс. Кроме высокочастотных вариаций амплитуд отражённого сигнала связанных с взаимодействием O- и X-мод, на А-картах слоя F ясно видны низкочастотные вариации АЧХ при прохождении перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). Данные вариации АЧХ связаны с увеличением амплитуды сигнала отражённого от максимумов электронной концентрации, образовавшихся при прохождении ПИВ. На рисунке 4 низкочастотные вариации АЧХ (связанные с ПИВ) отмечены серыми стрелками. На As-картах также можно видеть следы прохождения ПИВ в виде наклонных полос (например рисунок 2е). Рисунок 4. Картины поляризационного фединга О- и Х мод на А-картах для слоя F2 (а) и одновременно для F1 и F2 (б). Для наглядности черными стрелками отмечены частотные вариации точки нулевых биений, а серыми стрелками отмечены увеличения амплитуды в следствии прохождения ПИВ. 2.2. Вариации амплитуд сигналов при отражении от Es слоя (О- и X- моды) Вариации амплитуд при биении О и Х также можно наблюдать при отражении сигнала от спорадического слоя E, при условии, что плазменная частота слоя превышает частоту отражения обыкновенной волны на половину гирочастоты электронов [Юсупов, 2011]. Ионограммные следы Es на средних широтах почти строго горизонтальны. Дисперсионный наклон или касп наблюдается только в дневные часы на низкочастотном конце следа слоя E, как для О так и для Х моды. Касп необыкновенного следа Es на высокочастотном конце следа в большинстве случаев не виден на ионограммах вертикального зондирования в следствии экранирования следом обыкновенной компоненты. Следовательно, при отражениях сигнала от Es слоя, биения как правило будут наблюдаться только до частоты зондирования, где разность действующих высот O- и X-мод стремится к нулю (точки нулевых биений). Таким образом, в большинстве случаев будет наблюдаться последовательное увеличение разности частот между минимумами (в отличии от отражений от F слоя). Пример таких биений при отражении от Es приведен на рисунке 5. Как видно из рисунка 5 биения начинаются на ~4.5 МГц (соответствует разности действующих высот между следами в ~5км) и заканчиваются ~6.2 МГц (соответствует разности действующих высот между следами в ~0.6 км). На рисунке 6а представлена А-карта соответствующая биениям, представленным на рисунке 5.    Рис.5. а) Пример ионограммы с вариациями амплитуд при биениях по типу О- и Х-мод на следах слоя Es; б) высотно-частотные характеристики О- и Х-мод следов слоя Es (для наглядности ось высот сжата по отношении к ионограмме); в) АЧХ Es-слоя для данной ионограммы, показывающая картину поляризационного фединга. Пунктирные линии отмечают начальную и конечную частотные границы диапазона биений. Стрелками отмечены разность действующих высот между О- и Х-модами на границах диапазона биений.   Рисунок 6. Картины поляризационного фединга О- и Х мод на А-картах для слоя Es (а) – увеличение шага между последовательными минимумами; (б) – наличие и увеличения и уменьшения шага, а частотный интервал между двумя типами биений соответствует точке нулевых биений и образует узор в виде «кольца», схожий с картиной на F-следах. На рисунке 6б представлен очень редкий случай, когда при отражении от Es слоя наблюдаются биения как до, так и после точки нулевых биений. Когда X-след приближается к О-следу, наблюдается увеличение разности частот между минимумами. Когда X-след удаляется от О-следа, наблюдается уменьшение разности частот между минимумами. В области нулевых биений наблюдается характерный узор в виде последовательных «колец». Для такого случая можно с высокой точностью определить точку нулевых биений (а, следовательно, минимальное расстояние между О- и Х-следами). Середина частотного интервала между последним минимумом «диапазона увеличения шага» и первым минимумом «диапазона уменьшения шага» являться точкой нулевых биений. Как упоминалось выше, такая картина фединга при отражении от Es слоя чрезвычайно редко наблюдается на средних широтах и будет более характерна для экваториальных широт (благодаря большей электронной концентрации в Es слое). К тому же, на средних широтах наблюдение и анализ такой картины биений затруднён из-за технических ограничений. Из рисунка 6б видно, что картина поляризационного фединга изменяется очень быстро, следовательно, мы не можем уменьшить скорость регистрации ионограмм. С другой стороны, необходим малый шаг между зондирующими частотами и одновременно широкий диапазон зондирования (например ~1-30МГц), что требует достаточно сложную систему управления ионозондом и приводит уменьшению скорости регистрации ионограмм. 2.3. Вариации амплитуд сигналов отражённых от Es слоя (две О- моды) Квазипериодические вариации АЧХ E- и Es-слоев по типу взаимодействия двух О-мод на полярных широтах исследовались в работе [Jalonen, 1981], также попытки найти такие биения были сделаны в [Шерстюков, 1989]. Эти работы были основаны на теории, описанной в [Chessel, 1971a, 1971b], где появление второй О-моды объясняется в рамках процесса межмодового взаимодействия, когда при наклонных силовых линиях магнитного поля и крутом градиенте электронной концентрации Е и/или Es-слоев при отражении часть энергии О-моды трансформируется в X-моду, которая отражается на чуть большей высоте и на обратном пути, проходя уровень отражения О-моды эта трансформированная X-мода снова превращается в О-моду. На полярных широтах в работе [Jalonen, 1981] установлены свойства АЧХ с характерным уменьшением частотной разности между последовательными минимумами. На ионограммах ионозонда «Циклон» иногда наблюдаются два очень глубоких минимума (каждый из которых имеет небольшое частотное протяжения) или один глубокий минимум (с большим частотным протяжением) в диапазоне частот ниже области биений О-и Х-мод. Пример наблюдения таких биений представлен на рисунке 7 (стрелками отмечены два минимума АЧХ).  Рисунок 7. а) Пример ионограммы с биениями по типу двух О-мод на следах слоя Es; б) высотно-частотные характеристики двух следов О-мод слоя Es (для наглядности ось высот сжата по отношении к ионограмме); в) АЧХ Es-слоя для данной ионограммы, показывающая картину поляризационного фединга. Стрелками отмечены минимумы биений по типу двух О-мод.  На А-карте Es-слоя (рис.8.) приведены частотно-временные вариации минимумов, отмеченных на рис.7, видно что вариации этих минимумов образуют узор в виде «колец», который схож с вариациями точки нулевых биений, описанных в разделах 2.1 и 2.2. Если кольца на рис.8 являются вариациями точки нулевых биений, то вероятнее всего причиной этих вариаций является изменения уровней двух уровней отражения обыкновенной О-моды и трансформированной О-моды, как показано на рис.7б, описанных в [Chessel, 1971a, 1971b, Jalonen, 1981].  Рисунок 8. А-карта Es слоя, показывающая узоры картины поляризационного фединга по типу двух О-мод в виде «колец».   Как видно из рисунка 8 узор в виде «колец» более ярко выражен для биений двух О-мод (т.е. амплитуда «колец» часто падает до нуля) по сравнению с биениям О- и Х-мод (рис.6). Частотная разность между границами «кольца» показывает вариации расстояния между двумя О-следами. Эти вариации происходят из-за не больших изменений фоновой электронной концентрации E слоя, а также из-за изменений формы профиля Es. В интервале времени 423-427 минуты «кольца» расширялись и диаметр «кольца» изменился с ~500кГц до 1,6МГц, что соответствует изменению разности действующих высот с ~300м до ~90м за 3 минуты. Далее в интервале времени 427-432 минут «кольцо» сжималось из-за удаления второй О-моды следа от основного. Вариации «диаметра кольца» обычно коррелируют с вариациями критической частоты слоя Es. Таким образом, биения можно использовать для получения дополнительной информации о фоновой концентрации нижней части ионосферы. Вычислив действующие высоты отражения О-моды Es-слоя и найдя характерные точки поляризационного фединга, методом машинного обучения можно подобрать форму профиля электронной концентрации нижний части E слоя. 2.4. Биения при отражении сигнала от транзиентного слоя Es Транзиентный спорадический слой малоизученное явление. От обычного Es слоя его отличают: 1) мгновенное появление с высокой предельной частотой (иногда до 25МГц и более) 2) плоская форма следа (не имеющая каспа даже в дневные часы) 3) низкая амплитуда отражённого сигнала (часто не на много превышающая уровень шумов ионограммы). Время жизни транзиентного слоя Es варьируется от ~1 до ~30 минут, а интенсивность только снижается. Причины возникновения транзиентного слоя связывают с метеорами [Maruyama, 2003, 2008, Yusupov, 2017, Kozlovsky, 2018]. Пример ионограммы с транзиентным Es приведен на рисунке 9a.   Рисунок 9. Пример ионограмма с наличием транзиентного Es следа На ионограмме отчётливо видны биения с примерно равными разностями частот между минимумами. На рисунке 9b представлена амплитудно-частотная характеристика отражённого сигнала, пунктирными линиями отмечены частоты минимумов. Разница между соседними минимумами составляет ∆f~162КГц. Как и для других типов биений можно получить разницу действующих высот ∆h~925м. Но что за сигналы отражаются на разных высотах? В случае транзиентных Es расщепление сигнала на магнитоионные компоненты не возможно в связи с недостаточными условиями для его возникновения. Причиной таких биений может быть разделение метеора на фрагменты [Mathews, 2010]. Каждый фрагмент метеора формирует транзиентный слой, и ∆h(~925м) в данном случаи показывает расстояние между фрагментами. 2.5. Вариации амплитуд отражённых сигналов при рассеянии на слоях E, Es и F Нельзя не отметить вариации АЧХ, возникающие при рассеянии сигналов. При рассеянии, отражённый сигнал становится диффузным, имеет продолжительность большую чем зондирующий импульс, а также может простираться в область частот выше критической. Рассеяние при вертикальном зондировании связывают с многолучевым отражением зондирующего сигнала от ионосферы со случайными неоднородностями концентрации плазмы, когда в окрестность источника возвращается несколько лучей, прошедших по разным траекториям и, следовательно, связанных с различными групповыми запаздываниями [Толстиков, 2004]. Первые исследования F-рассеяния были выполнены в [Booker and Wells, 1938], далее было выполнено много работ на эту тему, например [Антонов, 1987, Гершман, 1963, Выборное, 1997, Мурадов, 1982, Bowman, 1982, Renau, 1960, Booker, 1986]. Связь F- и Es-рассеяний анализировалась в работах [Mathews, 2001, Haldoupis 2011]. АЧХ при рассеянии выглядят хаотичными и имеют очень малые частотные расстояния между минимумами/максимумами, что связанно с переотражениями зондирующих сигналов от различных типов неоднородностей. Пример ионограммы с такими вариациями АЧХ приведен на рис.10. Рисунок 10. а) Пример ионограммы, показывающей следы слоев F и Es со структурой рассеяния; б) АЧХ F-слоя в) АЧХ Es-слоя. Эти АЧХ наглядно показывают хаотический характер вариаций амплитуд.  С помощью А-карт легко определять периоды появления рассеяния как для E/Es следов (рис.11а), так и для F-следов (рис.11б). На рис.11 диапазон времени, когда наблюдалось рассеяние отмечен вертикальными пунктирными линиями. Видно, что на ~970 минуте появился Es-слой со свойствами рассеяния, а на F-слое рассеяние появилось через ~15 минут. На ~1023 минуте отражения от данного Es-слоя начали исчезать, и одновременно прекратилось рассеяние на F-следе.  Рис.11. Пример А-карт, показывающие вариации АЧХ при явлении рассеяния для слоев E/Es (а) и F (б). Вертикальными пунктирными линиями отмечен интервал времени, где наблюдается явление рассеяния.  Заключение В работе детально описан алгоритм построения сводных карт состояния ионосферы, рассмотрены все ранее известные биения при вертикальном зондировании на средних широтах, происходящих из-за отражений различных сигналов на близких высотах отражения, формирующихся в одной области Френеля. Впервые показаны интерференционные биения по типу двух О-мод при отражении сигнала от слоя Es на средних широтах. Впервые показаны биения при отражении сигнала от транзиентного Es слоя и предложена гипотеза, объясняющая причины их появления. Метеор разделяется на фрагменты, каждый из которых формирует транзиентный Es слой. Данные слои невозможно разделить на ионограмме, и обнаружить их можно лишь по биениям. Показано, что на средних широтах: 1) Биения O- и X-мод при отражении от слоя F наблюдаются как до, так и после точки нулевых биений. 2) Биения O- и X-мод при отражении от слоя Es в большинстве случаев наблюдаются только до точки нулевых биений. 3) Биения двух O-мод при отражении от слоя Es в большинстве случаев наблюдаются только вокруг точки нулевых биений. Анализ картин такого поляризационного фединга позволяет с высокой точностью определять разность действующих высот между ионограммными следами различной поляризации. Эта информация может быть использована для повышения точности восстановления профиля электронной концентрации нижней части ионосферы. Предоставлены характерные примеры АЧХ при явлении E/Es- и F-рассеяниях.  БлагодарностиРабота выполнена при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 18-35-00442. В работе были использованы методы анализа, полученные в рамках базового финансирования программы ФНИ II.12.