Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве

СОДЕРЖАНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ...............................................................6
1. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ НАЗЕМНОЙ ДИАГНОСТИКИ ИОНОСФЕРНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ИСКУССТВЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
В ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ СИСТЕМЕ...................................27
1.1. Краткое описание сети наблюдений..............................27
1.1.1. Принципы построения....................................27
1.1.2. Многоканальный цифровой КВ доплеровский комплекс.......29
1.1.3. I Ыфровой ионозонд "Бизон".............................42
1.1.4. Сеть наклонного зондирования ионосферы.................46
1.1.5. Используемые зарубежные средства диагностики...........47
1.2. Некоторые особенности распространения декаметровых радиоволн
в высоких широтах.............................................48
1.2.1. Эффекты отклонения декаметровых радиоволн
от дуги большого круга..................................49
1.2.2. 11араметры высокоширотных КВ радиоканалов..............51
1.2.3. Распространение декаметровых радиоволн во время авроральных суббурь.......................................................54
1.2.4. 11ринцииы и методы коррекции модели ионосферы по данным наклонного зондирования ионосферы.............................57
2. МОДИФИКА! ДОЯ ИОНОСФЕРНОЙ 11 ЛАЗ МЫ МОЩНЫМ КВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ 11АЗЕМНЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ.............................63
2.1. Основные явления, обусловленные взаимодействием мощных КВ радиоволн с ионосферной плазмой (краткий обзор)...................63
2.2. Результаты экспериментов с использованием на) ровного комплекса "Сура"............................................................72
2.2.1. Описание экспериментов.................................72
2.2.2. Характеристики ракурсно-рассеянных на МИИН КВ сигналов
но данным наклонного зондирования ионосферы.............78
2.2.3. Тонкая структура искусственно возмущенной области ионосферы.....................................................83
2.3. Волновые процессы в искусственно возмущенной Р-области ионосферы.........................................................93
2.3.1. Короткопериодные волновые процессы (20 - 150 с).......93
2.3.2. Среднемасштабные волновые возмущения (12-20 мин) 102
2.4. Заключительные замечания....................................107
. ЭФФЕКТЫ МОДИФИКАЦИИ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ КВ
НАГРЕВНЫМ КОМПЛЕКСОМ Е18САТ(Г. ТРОМСЕ. НОРВЕГИЯ)....................110
3.1. 1 Остановка и обоснование экспериментов, используемые
диагностические средства...................................110
3.2. Моделирование характеристик КВ радиоволн при ракурсном рассеянии........................................................112
3.3. Эксперименты в Г-области ионосферы..........................121
3.3.1. Эффекты модификации ночной авроральной Г-области ионосферы при различных углах излучения волны накачки.................121
3.3.2. Искусственное радиоизлучение ионосферы на двойной частоте главного спектрального максимума (21)М)......................134
3.4. Эффекты нагрева ночной авроральной Г-области ионосферы......138
3.4.1. Мелкомасштабные искусственные ионосферные
неоднородности в авроральной Г-области.................140
3.4.2. Волновые процессы во время начала магнитного возмущения... 145
3.4.3. Стимулированное высыпание электронов..................147
3.4.4. Радиоизлучение ионосферы в фазу восстановления авроральной суббури......................................................149
3.5. Заключительные замечания....................................153
4. МОДИФИКАЦИЯ ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНЫМИ КВ РАДИОВОЛНАМИ, ИНЖЕКТИРУЕМЫМИ В НОЧНУЮ АВРОРАЛЬНУЮ ИОНОСФЕРУ.......................157
4.1. Модификация локальных ионосферных и продольных токов КВ нагревным комплексом вТромсе.....................................157
4.1.1. Экспериментальные результаты..........................157
4.1.2. Обсуждение резул ь гатов и вы воды....................161
4.2. Триггирование локальной авроральной активации мощными КВ
радиоволнами.....................................................166
4.2.1. Обоснование и постановка экспериментов....................166
4.2.2. Результаты наблюдений 17 февраля 1996 г..................167
4.2.3. Результаты наблюдений 16 февраля 1996 г..................171
4.2.4. Результаты наблюдений 1 I октября 1999 г..................179
4.2.5. Результаты наблюдений 2 октября 1998 г....................187
4.2.6. Обсуждение результатов и выводы...........................197
5. ВОЗМУЩЕ11ИЯ В ИОНОСФЕРЕ. ОБУСЛОВЛЕН! 1ЫЕ ВЫБРОСАМИ ПАРОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ...............................................212
5.1. Краткий обзор основных научных программ и результатов...........212
5.2. Результаты экспериментов по дистанционной диагностике эффектов выбросов паров щелочных металлов на высотах 140 - 160 км..............220
5.2.1. 1 Остановка экспериментов.................................220
5.2.2. Результаты наблюдений и их обсуждение.....................221
5.3. Возмущения в ионосфере во время экспериментов по проекту CRRES.227
5.3.1. 11остановка экспериментов.................................227
5.3.2. Классификация типов возмущений........................... 228
5.3.3. Волновые возмущения (данные экспериментов
и моделирования)..........................................237
5.3.4. Спектральное рассмотрение волновых процессов..............244
5.3.5. 11роявление воздействия радиально распространяющегося возмущения.......................................................247
5.4. Заключительные замечания........................................253
6. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ВОЗМУЩН11ИЯ В ИОНОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ........................................255
6.1. Глобальные магнитно-ионосферные возмущения......................255
6.1.1. Метод диагностики глобальных магнитно-ионосферных возмущений SFD и SCF на основе многоканальных КВ доплеровских измерений в реальном времени........................257
6.1.2. Сопоставление результатов диагностики SFI) и SCF с комплексом
сопутствующих гелиогеофизических возмущений...............265
6.1.3. Эффекты солнечных вспышек по данным наклонного
зондирования ионосферы...............................269
6.2. Волновые процессы в ночной высокоширотной ионосфере но данным ком 11 л ексных ради офизически х наблюден и й..................276
6.2.1. Описание и техника экспериментов....................277
6.2.2. Классификация волновых возмущений...................278
6.2.3. Волновые возмущения во время авроральной суббури....282
6.3. Тонкая структура дневной высокоширотной ионосферы..........286
6.3.1. Описание экспериментов..............................287
6.3.2. Результаты и обсуждение.............................287
6.4. Заключительные замечания...................................293
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................297
БЛАГОДАРНОСТИ......................................................304
ЛИТЕРАТУРА.........................................................305
ВВЕДЕНИЕ
б
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Работа посвящена комплексным экспериментальным исследованиям геофизических эффектов и процессов в околоземном космическом пространстве, инициированных инжекцией мощных КВ радиоволн и паров щелочных металлов в ионосферную плазму высоких и средних широт.
Актуальность проблемы. Изучение процессов в магнитосферно-ионосфернон системе, инициированных активными воздействиями, относится к числу интенсивно развивающихся направлений физики околоземного космического пространства. Активные методы исследований широко
используются в изучении электродинамического взаимодействия между
ионосферой и магнитосферой, неустойчивостей в околоземной гшазме, искусственных ионосферных возмущений и их влияния на распространение радиоволн. Активные воздействия на ионосферу и магнитосферу осуществляются посредством выбросов химически активных веществ и инжекции электронных и плазменных пучков с ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ), мощных КВ радиоволн, инжектируемых с поверхности Земли в ионосферную плазму, исследовательских взрывов и др. Важность и значимость подобного рода исследований подтверждается проведением таких широко известных
международных программ как TRIGGER, АМРТЕ, CRRES, HAARP. Кроме того исследования в данном направлении являются составной частью многих международных программ, включая STEP, CEDAR, SPACE WEATHER и др. Конец 90-х годов ознаменовался резким возрастанием интереса к проблеме модификации высокоширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами. С одной стороны это вызвано строительством первой очереди нового супермощного КВ нагревного комплекса в Гаконе на Аляске, США, а с другой интенсификацией исследований на супермощном КВ нагревном комплексе Европейской ионосферной Ассоциации EISCAT в Тромсе, 1 Іорвсгия.
Исследования физических процессов, обусловленных техногенными источниками, представляют не только научный, но и практический интерес. Обеспечение работоспособности радиотехнических систем различного назначения
7
(радиосвязь, радионавигация, радиолокация и т.д.) невозможно без фундаментальных исследований физических процессов в магнитосферно-ионосферной системе в условиях активных воздействий, гак как искусственные возмущения влияют на распространение радиоволн различных диапазонов. Кроме того, непрерывное увеличение количества и суммарной мощности излучения радиосредств на Земном шаре вызывает не только возрастание уровня взаимных помех в радиоканалах, но может привести к серьезным и непредсказуемым экологическим последствиям. Поэтому в конце XX века человечество столкнулось с новой проблемой - электромагнитным загрязнением окружающей среды. Это послужило толчком для развития исследований в области электромагнитной экологии. Для этих целей КВ нагревные комплексы являются уникальным средством не только для проведения исследований, но и для определения допустимых электромагнитных нагрузок на ионосферпо-магнитосферную
систему.
*
Рассматриваемый в диссертации круг вопросов является частью проводимых в России, США, странах Западной Европы и Украине экспериментальных и теоретических исследований по изучению явлений и процессов в околоземном космическом пространстве, инициированных мощными техногенными источниками. В диссертации обобщены результаты многолетних экспериментальных исследований, выполненных в ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ). по изучению геофизических явлений, инициированных накачкой мощных КВ радиоволн и выбросами паров щелочных металлов в ионосферу. Основное внимание уделено экспериментальному изучению практически не исследованных явлений и геофизических эффектов при модификации ночной авроральной ионосферы супермощным КВ нагревиым комплексом Европейской ионосферной Ассоциации (Е18САТ). расположенным в г. Тромсс, Норвегия. В этих экспериментах впервые была показана возможность модификации ионосферно-магнитосферного взаимодействия вследствие накачки мощных КВ радиоволн с поверхности Земли в ночную авроральную ионосферу, что положило начало новому направлению исследований: модификация ионосферно-магнитосферного взаимодействия,
генерация искусственных Альвеновских волн и возможное триггирование
8
авроральных суббурь. В настоящее время это направление активно развивается и включено в международную научную программу исследований с помощью КВ нагревного комплекса ЕІ8САТ в г. Тромсе.
Целью диссертационной работы является изучение геофизических эффектов, инициированных мощным КВ радиоизлучением наземных передатчиков и выбросами паров щелочных металлов, на базе комплексного использования разнообразных средств и методов диагностики ионосферной плазмы высоких и средних широт и развитие на этой основе новых физических представлений о модификации ионосферной плазмы и процессов ионосферно-магнитосферного взаимодействия. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих основных задач, полностью или частично не затрагиваемых ранее в подобных исследованиях:
- детальные исследования эффектов воздействия мощных КВ радиоволн (иагревной комплекс ЕІ8САТ, г. Тромсе, Норвегия) на высокоширотную /'-область ионосферы при различных зенитных углах излучения волны накачки;
- анализ эффекгов модификации ночной авроральной ^-области ионосферы мощными КВ радиоволнами (иагревной комплекс ЕІ5САТ, г. Тромсе, Норвегия) при их отражении от спорадического Е$ слоя по результатам наблюдений и численного моделирования;
- экспериментальные доказательства и возможные механизмы модификации ионосферно-магнитосферної о взаимодействия вследствие контролируемой накачки мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ионосферу; исследование тонкой структуры искусственно возмущенной среднеширотной Л-обласіи ионосферы (иагревной комплекс "Сура", г. Н. Новгород), при различных мощностях КВ волны накачки;
- изучение и классификация ионосферных возмущений, инициированных выбросами паров бария на различных высотах, по данным методов дистанционной диагностики и результатам численного моделирования на сети протяженных диагностических грасс;
9
- создание и внедрение наземных средств, методов и методик КВ дистанционной диагностики естественных и искусственных возмущений в ионосфере.
Научная повита работы определяется результатами, полученными благодаря уникальным экспериментам и исследованиям, которые ранее либо не проводились, либо не были достаточными, и заключается в следующем.
1. Впервые проведены детальные экспериментальные исследования эффектов модификации ночной авроральной /•'-области ионосферы (поведение мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей. МИИН, электронных и ионных температур, Те и ТІ9 ионных скоростей V.) при различных зенитных углах излучения мощных КВ радиоволн (КВ наїревной комплекс FI.SCАТ в г. Тромсе).
2. Впервые обнаружено искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ) на двойной частоте главного спектрального максимума волны накачки (2ІЗМ компонента) и исследованы его характеристики.
3. Впервые выполнены исследования эффектов модификации ночной авроральной ^-области ионосферы мощными КВ радиоволнами (КВ нагревной комплекс ЕІ8СЛТ в г. Тромсе) при их отражении от спорадического Е& слоя по данным экспериментальных наблюдений и моделирования;
4. Впервые получены экспериментальные доказательства и обоснованы возможные механизмы модификации ионосферпо-магнитосферного взаимодействия вследствие контролируемой накачки мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ионосферу.
5. По результатам экспериментальных наблюдений с использованием КВ паї ревного комплекса "Сура" (около г. Н. Новгород) исследованы ракурсночастотные и угловые характеристики диагностических КВ сигналов, рассеянных на МИИН, для различных сезонов, а также короткопериодные волновые процессы с периодами 20-150 с при различных мощностях КВ волны накачки.
6. Предложен метод использования КВ доплсровской дистанционной диагностики и результатов численного моделирования для изучения ионосферных возмущений, инициированных выбросами бария на высотах 140-500 км.
10
7. По данным методов дистанционной диагностики рассмотрены условия появления, механизмы генерации и параметры короткопериодных волновых процессов (от 30-40 с до 2-10 мин) естественного происхождения в ночной авроральной ионосфере в течение суббури и в дневной высокоширотной ионосфере в области клефта/каспа.
Научная и практический значимость. Но степени научной значимости выполненные автором исследования могут быть разделены на две группы. Первая группа включает исследования с использованием высокоширотного КВ Haï ровного комплекса EISCAT в г. Тромсе, Норвегия. Они дают основу для более глубокого понимания физики взаимодействия мощных КВ радиоволн с ночной авроральной ионосферной плазмой и развития теоретических исследований в этом направлении, а также открывают новые возможности изучения процессов ионосферно-магиитосфериого взаимодействия вследствие контролируемой накачки мощных КВ радиоволн в авроральную ионосферу. К ним относится обнаружение новых явлений, впервые наблюдавшихся в экспериментах по модификации ионосферы мощными КВ радиоволнами: зависимость
характеристик МНИ II и параметров ионосферной плазмы от угла накачки мощных КВ радиоволн; экстремально сильная (в 2-4 раза) возрастание температуры электронов вдоль направления магнитного поля в широком диапазоне высот; вынос ионов из авроральной /‘-области; искусственное радиоизлучение ионосферы на двойной частоте главного спектрального максимума (2DM); модификация ионосферно-магнитосферного взаимодействия; триггирование локальных авроральных активаций. Ко второй группе относятся исследования искусственных возмущений, обусловленных выбросами бария, эффектов воздействия мощного КВ радиоизлучения па среднеширотную /‘'-область ионосферы и короткопериодных волновых процессов (с периодами от 30-40 с до 8-10 мин) в высокоширотной ионосфере, которые расширяют, существенно дополняют и обобщают знания о естественных и искусственных ионосферных возмущениях, особенно в части наименее изученных короткопериодных волновых явлений.
Результаты работы могут быть использованы: для оптимального
планирования и проведения активных экспериментов (особенно на
11
высокоширотных КВ нагрсвных комплексах Е18САТ, 1'. Тромсе и ИАЛКР па Аляске); для обнаружения и мониторинга естественных и искусственных ионосферных возмущений; в оценках влияния естественных и искусственных возмущений на ионосферные радиоканалы и работу радиотехнических систем различного назначения; для анализа последствий воздействия постоянно возрастающего количества радиоизлучающих средств на Земном шаре и их суммарной мощности на околоземное космическое пространство.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Создание средств, методов и методик КВ дистанционной диагностики естественных и искусственных ионосферных возмущений.
2. Результаты исследования эффектов модификации ночной авроральной /'-области ионосферы при различных зенитных углах излучения мощных КВ радиоволн (от вертикального 0 = 90° до 0 = 78°, соответствующего излучению вдоль магнитного поля в Тромсе), включая параметры МИИН, распределение температур электронов Г,, и ионов Т, внутри модифицированного объема, явление выноса ионов из /'-области ионосферы и экстремально сильное (в 2-4 раза) возрастание Те вдоль направления магнитного поля в широком диапазоне высот.
3. Обнаружение искусственного радиоизлучения ионосферы (ПРИ) на двойной частоте главного спектрального максимума волны накачки (21)М компонента) и его характеристики в зависимости от мощности волны накачки.
4. Результаты исследований эффектов модификации ночной авроральной ^-области ионосферы мощными КВ радиоволнами при их отражении от спорадического Е$ слоя по данным экспериментов, включая поведение МИИН, волновые процессы с периодами 100-120 с, и моделирование траекторных и доплсровских характеристик рассеянных на МИИН диагностических КВ сигналов.
5. Экспериментальные доказательства и обоснование возможных механизмов модификации ионосферно-магнигосферного взаимодействия вследствие контролируемой накачки мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ионосферу, включая вынос потоков ионов из Р -области авроральной ионосферы, генерацию Альвеновских волн, тригтирование локальных авроральных активаций.
6. Цикл экспериментальных исследований с использованием среднеширотного нагревного комплекса "Сура", включая ракурсно-частотные и угловые
12
характеристики диагностических КВ сигналов, рассеянных на МИИП, короткопериодные волновые процессы при различных мощностях КВ волны накачки.
7. Метод использования КВ донлеровской многоканальной дистанционной диагностики и численного моделирования траекторных и доплеровских характеристик КВ сигналов для исследования возмущений, инициированных выбросами бария на высотах 140-160 и 400-500 км с.
8. Метод оперативной диагностики глобальных магнитно-ионосферных возмущений (внезапных ионосферных возмущений типа 814) и внезапных начал магнитных бурь 8СГ) на начальной фазе их развития.
9. Цикл экспериментальных исследований параметров и условий возникновения короткопериодных волновых процессов естественного происхождения в ночной авроральной ионосфере в течение суббури и в дневной области клефта/каспа.
Личный вклад автора подтверждается опубликованной монографией (без соавторов). Большинство работ автора по теме диссертации написано в авторских коллективах. В диссертацию включены результаты, вклад автора в которые был определяющим на всех этапах работы, включая постановку задачи, разработку методики проведения экспериментов и измерений, анализ и интерпретацию полученных данных и подготовку публикаций. Все описанные в диссертации исследования были инициированы автором и проводились под его руководством и 110 посредствен I юм участи и.
Достоверность полученных результатов и выводов работы определяется физической обоснованностью проведенных исследований с использованием разнообразных современных средств и методов диагностики ионосферной плазмы, включая высокоэффективные зарубежные диагностические средства в высоких широтах. Впервые обнаруженные автором эффекты модификации процессов ионоеферно-магнитосферного взаимодействия вследствие накачки мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ионосферу получили свое дальнейшее подтверждение в исследованиях, выполненных в Институте Макса-Планка, Германия. ЛеЙстерском Университете, Великобритания и Шведском институте космической физики (по данным оптических наблюдений и Е1$СЛТ
13
радара HP), Институте космических исследований РАН, Москва, и Университете Уулу, Финляндия (по данным наблюдений на спутнике Интербалл и IMAGE сети магнитометров). Полученные экспериментальные результаты находятся в согласии и могут быть объяснены в рамках моделей и механизмов, разработанных P.IO. Трахтенгерцом, R. Lysak, G. Haerenclel. Эффекты очень сильного (в 2-4 раза) возрастания температуры электронов в нагревных экспериментах в ночной авроральной F-области ионосферы находятся в согласии с результатами теоретических исследований A.B. Гуревича. Короткопериодные волновые процессы в искусственно модифицированной F-области среднеширотной ионосферы были независимо обнаружены в исследованиях Института радиоастрономии АН Украины. Перспективность использования дистанционной диагностики КВ доплеровским методом на сети пространственно-частотно разнесенных радиотрасс для изучения эффектов активных воздействий на ионосферу была убедительно продемонстрирована в экспериментах Сибирского физико-технического института, Томск, Института динамики геосфер РАН. Москва, по исследованию эффектов модификации ионосферы при стартах ракет и мощных наземных взрывах. Установленные автором параметры искусственных ионосферных возмущений, инициированных выбросами бария, по данным дистанционной диагностики КВ доплеровским методом находятся в согласии с результатами исследований в непосредственной близости от места выброса по данным оптических наблюдений, вертикального зондирования ионосферы и вертикального КВ доплеровского зондирования., в том числе для тех же самых экспериментов, выполненных в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН. Москва, и Институте прикладной геофизики Росгидромета, Москва.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII и XVIII Всесоюзных (Всероссийских) конференциях но распространению радиоволн (Казань, 1975, Томск, 1978, Горький, 1981, Ленинград, 1984, Алма-Ата, 1987, Харьков, 1990, Ульяновск, 1993, С.- Петербург, 1996), Всесоюзных совещаниях но проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1979, Ростов, 1989. Якутск, 1991), Третьем Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магтжтосферно-
14
ионосферные связи" (Мурманск, 1984), Всесоюзном совещании "Теория и практика некогерентного рассеяния для исследования ионосферы" (Харьков, 1987), Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989), V Симпозиуме КАНГ по солнечноземной физике (Самарканд. 1989). Всесоюзном семинаре "Физика полярной ионосферы" (Иркутск, 1990), X Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферы (Казань, 1990). на III, IV и V Международных Суздальских симпозиумах 1ЖБ1 по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1991, Уписала, Швеция, 1994, Москва, 1998), Международных летних школах по физике космической плазмы (Нижний Новгород, 1993, 1995), 6-ой, 7-ой, 8-ой и 10-ой рабочих группах Европейской ионосферной Ассоциации EI.SC АТ (Андены, Норвегия, 1993, о. Корсика. Франция, 1995, Лейстер, Англия. 1997, Токио. Япония. 2001), 3-ем. 4-ом и 5-ом Европейских нагревных семинарах (Мурманск. 1994. Тромсе, Норвегия. 1995. Соданкюла. Финляндия, 1997). 30-ой, 31-ой и 33-ей Научных ассамблеях СОБРАЯ (Гамбург, Германия, 1994. .Бирменгем, Англия, 1996, Варшава, Польша, 2000), Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996), Научной конференции "Результаты исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды" (Москва, 1996). Международной конференции "Проблемы Геокосмоса" (С.- Петербург, 1996. 1998), Конференции РФФИ "Науки о Земле на пороге XXI века" (Москва, 1997), Ассамблеях Международного геофизического союза и Международной ассоциации геофизики (Уписала, Швеция, 1997, Бирменгем, Англия, 1999), 4-ой, 5-ой и 6-ой Международных конференциях по суббурям (Лэйк Хамана, Япония, 1998, С.- Петербург, 2000, Сиэтл. США, 2002), 26-ом ежегодном Европейском совещании по атмосферным исследованиям оптическими методами (Линдау. Германия, 1999). Первой международной конференции по солнечно-земной физике (Саппоро, Япония. 2000), Всероссийской конференции по солнечно-земным связям (Ирку тск, 2001). а также на научных семинарах ААНИИ, Института космической физики (Уписала, Швеция), Физического института им. Лебедева, С.-Петербургского государственного университета.
15
Публикации. Работы автора опубликованы в монографии, а также в научных журналах: Геомагнетизм и аэрономия, Изо. Вузов Радиофизика, Космические исследования, Geophysical Research Letters. Radio Science. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. Advances of Space Research. Annales Geophysicae, Journal of Geophysical Research, сборниках "Исследования no геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца". Трудах ААНИИ, тематических сборниках ИЗМИРАП, тезисах докладов. По теме, диссертации опубликовано более 100 работ. Из них: 1 монография, 76 статей. 4 авторских свидетельства на изобретения, остальные -тезисы докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и содержит 224 страницы основного текста, 81 рисунок и 22 таблицы, 309 наименований цитируемой литературы. Общий объем 334 страницы.
Исследования проводились в рамках плановых НИР. выполняемых ААНИИ но заказу Минпромнауки России и Росгидромета, при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 97-05-65443, 00-05-96204, 00-05-64819), Шведской королевской Академии наук (Грант с Институтом космической физики. 2000-2001г.г., Уписала), научной программы НАТО (гранты EST.CLG 975069, EST.CLG-978226, CN-976775).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обосновывается се актуальность, сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту, рассмотрены научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе дано описание средств и методов наземной диагностики, использованных для изучения искусственных и естественных возмущений в ионосферно-магнитосферной системе. В разделе 1.1 приведены основные характеристики используемых диагностических комплексов. Для изучения быстропротскающих процессов в ионосфере искусственного и естественного происхождения использовался многоканальный цифровой КВ доплеровский комплекс "Аврора", созданный в ААНИИ и предназначенный для приема, регистрации и обработки диагностических КВ сигналов доплеровским методом
16
одновременно па восьми радионаправлениях. Для анализа результатов доплсровских измерений разработаны и реализованы алгоритмы и программное обеспечение для многовариантной обработки оцифрованных сигналов. Комплекс установлен на научно-исследовательской станции ДАНИИ "Горьковская" вблизи г. С.- Петербурга (59,95°N, 30,7°Е). В качестве передающих устройств были использованы радиопередатчики мировой сети радиовещательных станций КВ
о
диапазона, имеющие высокую относительную стабильность частоты не хуже 10 . В сочетании с КВ доплеровскими измерениями проводились наблюдения методом наклонного зондирования ионосферы (ИЗ) на скользящей частоте от 3.5 до 27,5 МГц. Для этих целей была использована единственная в России сеть трасс наклонного зондирования ионосферы в Российской Арктике. При выполнении исследований также применялся цифровой ионозонд нового поколения "Бизон", обеспечивающий проведение наблюдений в режимах вертикального (ВЗ), наклонного (ИЗ) зондирования ионосферы, а также наклонного обратного рассеяния (НОР), а также в пассивном режиме, в диапазоне частот 1-30 МГи и КВ радара обратного рассеяния на фиксированной частоте. При проведении экспериментов широко использовались диагностические средства Европейской ионосферной Ассоциации EISCAT, включая трехпозиционный радар некогерентного рассеяния радиоволн EISCAT на частоте 931 МГц, IMAGE сеть магнитометров в Скандинавии, камеру всего неба для оптических наблюдений DASI. сет ь ионозондов в Скандинавии.
Учитывая, что при дистанционной диагностике эффектов активных воздействий весьма существенным является знание особенностей прохождения диагностических КВ сигналов в заданных районах контроля при различных геофизических условиях, в том числе в периоды магнитно-ионосферных возмущений естественного происхождения, в разделе 1.2 рассмотрены некоторые особенности распространения декаметровых радиоволн. Обобщены результаты многолетних исследований автора, выполненных на сети высокоширотных радиотрасс различной протяженности (от 500 до 12000 км) и ориентации (субавроральные. авроральные и проходящие через полярную шапку).
Во второй главе рассмотрены эффекты модификации ионосферной плазмы мощным КВ радиоизлучением наземных передатчиков.
17
Раздел 2.1 посвящен краткому обзору результатов по нелинейному взаимодействию мощных КВ радиоволн с ионосферной плазмой.
В разделе 2.2 рассмотрены результаты экспериментальных исследований с использованием КВ нагревного комплекса "Сура" (Васильсурск, около г. И. Новгород). Диагностика эффектов модификации осуществлялась методом ракурсного рассеяния диагностических КВ сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН) в ^-области ионосферы в 1983-1984 г.г., 1993 г. при эффективной мощности излучения "Суры" /4^=100-150 МВт. Рассматривались также результаты экспериментов 1979 г.. полученные при использовании КВ нагревного комплекса в Зимеиках с Рф/г 20 МВт. Измерения выполнялись на фиксированных частотах в диапазоне от 15 до 23 МГц, что соответствует поперечным масштабам МИИН порядка Л *= 6-10 м. Результаты проведенных экспериментальных исследований ракурсно-частотных характеристик диагностических КВ сигналов методом наклонного зондирования ионосферы на скользящей частоте (подраздел 2.2.2) свидетельствуют о высокой вероятности Р появления ракурсно-рассеянных сигналов, которая максимальна в зимний период и равноденствие, достигая значений Р - 0,8-0,9. В подразделе 2.2.3 приведены результаты исследований угловых спектров (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) диагностических КВ сигналов, рассеянных на МИИН, методом фазовой пеленгации с доплеровской фильтрацией.
Раздел 2.3 посвящен исследованиям волновых процессов в искусственно возмущенной ^-области ионосферы. В подразделе 2.3.1 рассмотрены характеристики короткопериодных волновых процессы с периодами 20-150 с, лежащими в диапазоне устойчивых магнитных пульсаций РсЗ-4. Основное внимание уделено изучению параметров наблюдаемых волновых процессов в зависимости от мощности КВ волны накачки. Получены оценки основных параметров наблюдаемых волновых процессов, включая доплеровскую скорость Г</, электрическое поле Е и амплитуду смещений искусственно возмущенной Е-области ионосферы М при различных мощностях волны накачки (Рэфф=20-150 МВт). Типичные значения указанных параметров следующие: У<1 - 6 м/с, Е = 1.25 мВ/м, М - 600-1500 м при Рфр = 20 МВт; У(1 = I 1-13 м/с, Е = 2.5 мВ/м, М = 1 ООО-ЗЗООм при Р,фф = 100 МВт; и Уа = 20-25 м/с, Е = 4,5 мВ/м, М = 1700-5000 м
18
при Руфф = 150 МВт. Ярко выраженная зависимость параметров
короткопериодных волновых процессов свидетельствует, что наиболее вероятной причиной наблюдаемой волновой активности является усиление естественных устойчивых пульсаций РсЪ-А внутримагнитосферного происхождения вследствие усиления электрического поля Альвеновской волны и раскачки собственных колебаний магнитосферы. В подразделе 2.3.2 приведены результаты исследований среднемасштабных волновых возмущений (12-20 мин). Учитывая, что пространственный масштаб среднемасштабных волновых процессов превышал размер искусственно возмущенной области ионосферы, а также, что слабые волновые процессы регистрировались не только на ракурсно-рассеянных, но и на прямых сигналах, есть основания предполагать, что среднемасштабные волновые процессы имели естественное происхождение.
Третья глава посвящена комплексным исследованиям эффектов модификации высокоширотной ионосферы КВ нагревным комплексом HI SCAT, расположенным в г. Тромсе, Норвегия.
В разделе 3.1 изложены постановка и обоснование экспериментов, а также используемые диагностические средства. Отмечается, что научная результативность экспериментов но модификации ионосферы мощным КВ радиоизлучением определяется: (1) техническими характеристиками нагревного комплекса; (2) использованием разнообразных и высокоэффективных средств диагностики: (3) многообразием свойств и состояний ионосферной плазмы, которая подвергается воздействию мощных КВ радиоволн. Именно всем этим условиям удовлетворяли эксперименты, выполненные в ААНИИ в 1996-2001 г., с использованием супермощного КВ нагревного комплекса "Heating", расположенного вблизи Тромсе (69.6°N, 19,2°Е; L - 6,2: / = 78°). Основное внимание в экспериментах было уделено изучению эффектов модификации ночной авроральной ионосферы, как при спокойных, так и возмущенных магнитных условиях, которые ранее практически не исследовались.
В разделе 3.2 приведено описание разработанной модели для определения траекторных и доплеровских характеристик диагностических КВ сигналов, рассеянных на мелкомасштабных магнито-ориентированных неоднородностях. Проведено численное моделирование доплеровских характеристик на трассе
Лондон-Громсе-С.-Петербург в зависимости от величины и направления скорости движения* неоднородностей в рассеивающем объеме (над Тромсе). Установлено, что величина доплеровского смешения частоты ракурсно-рассеянных КВ сигналов при рассматриваемой геометрии определяется североюжной компонентой скорости в области рассеяния.
Раздел 3.3 посвящен рассмотрению результатов нагревных экспериментов в Тромсе при отражении мощной КВ радиоволны от Ю. слоя высокоширотной ионосферы. В подразделе 3.3.1 впервые рассмотрены эффекты модификации ночной авроральной /^области ионосферы при различных углах излучения мощной КВ радиоволны (0 = 90°, 84° и 78°) по данным доплеровских наблюдений методом ракурсного рассеяния диагностических КВ сигналов на направлении Лондон-Тромсе-С.-Петсрбург и Г1$САТ радара (931 МГц) некогерентного рассеяния радиоволн (НР). Во время каждого нагревного цикла длительностью 8 мин при фиксированном направлении излучения мощной КВ радиоволны проводилось 6 измерительных циклов с помощью радара НР в различных направлениях внутри модифицированной области в последовательности 84°-90°“78°--84о-9()о-78о. Обнаружено, что наиболее интенсивные МИИН возбуждались при излучении мощной КВ радиоволны вдоль магнитного ноля (0 -78е). Впервые в экспериментах но модификации ионосферы обнаружен эффект очень сильного возрастания Те (в 2-4 раза) в широком диапазоне высот от 200 до 600 км в направлении, параллельном магнитному нолю. Одним из возможных механизмов, приводящим к сильному нагреву электронов в широком диапазоне высот, может быть ионно-звуковая неустойчивость, условия возникновения которой в значительной степени зависят от отношения Те/Г,. Наряду с сильными возмущениями Тс. также впервые в шнревных экспериментах было идентифицировано явление выноса ионов в направлении, параллельном магнитному полю, жестко связанное по времени с циклами нагрева. Вынос ионов со скоростями порядка 150 м/с на высотах выше 350 км сопровождался значительным нагревом электронов {Те = 3500-4000К) и повышением температуры ионов на 2О0-30ОК. В подразделе 3.3.2 рассмотрены параметры, условия возникновения и возможные механизмы генерации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) на двойной частоте главного спектрального
20
максимума (21)М), впервые обнаруженного вблизи г. С.- Петербург на удалении 1200 км от нагревного комплекса. Наблюдения проводились в дневные часы при ступенчатом изменении мощности нагревного комплекса от 0 до Р,фф „шх= 280 МВт, а затем ее уменьшении опять до 0. Излучение мощной КВ радиоволны происходило вдоль магнитного поля (0 = 78°). Наблюдения осуществлялись с помощью ионозонда "Бизон" в пассивном режиме в диапазоне частот (8080±31,25) кГц с разрешением по частоте 250 Гн. Обнаружены следующие характерные особенности наблюдаемых спектров: (1) максимум частотных спектров сдвинут в низкочастотную обласгь на 18 кГц (двойная нижнегибридная частота ионосферной плазмы в Громсе, 2/ц = 18 кГц) относительно второй гармоники частоты нагрева (2/// - 8080 кГц); (2) широкая полоса возбуждения, до 30 кГц; (3) ярко выраженная зависимость максимальной амплитуды 2 ОМ компоненты от мощности волны накачки; (4) явление гистерезиса при изменении амплитуды 20М компоненты от мощности волны накачки. Наиболее вероя тным механизмом генерации 20М компоненты ИРИ может быть взаимодействие двух противоположно направленных плазменных волн в искусственно возмущенной У7-области ионосферы. Результатом этого взаимодействия может быть излучение на 2/ц( = 2(/я-/т), что и наблюдалось в эксперименте.
В разделе 3.4 рассмотрены эффекты нагрева ночной авроральной ^-области ионосферы по данным КВ доплеровских наблюдений методом ракурсного рассеяния радиоволн на направлении Лондон-Тромсе-С.-Петербург. Мощная КВ радиоволна излучалась в направлении 0 = 84° и отражалась от спорадического Е$ слоя. Показано, что воздействие мощных КВ радиоволн на ночную авроральную ^-область ионосферы приводит к генерации интенсивных МИНН с поперечными масштабами 1± - 12-15 м в авроралыюм Е$ слое. Установлено, что время релаксации МИНН зависит от фоновых геофизических условий и может достигать 2 минут. Обнаружены следующие характерные эффекты воздействия мощного КВ радиоизлучения на ночную авроральную ^-область: (1) появление волновых вариаций доплеровского смещения частоты ракурсно-рассеянных на МИИН сигналов с периодами 100-120с. Установлена тесная корреляция между волновыми вариациями и У-компонентой магнитного поля в Тромсс; (2) рассмотрена возможность стимулированного высыпания электронов с энергиями
21
10-40 юВ вследствие циклотронного резонансного взаимодействия естественно высыпающихся электронов с энергиями 1-10 кэВ и 0114 волн, инициированных мощным КВ радиоизлучением (например, на fLH или ее гармониках) и распространяющимися вдоль магнитной силовой трубки в верхнюю ионосферу и магнитосферу; (3) обнаружено интенсивное спектральное рассеяние вблизи второй гармоники частоты нагрева {2/f, = 8080 кГц).
В четвертой главе рассмотрены экспериментальные результаты по модификации ионосферно-магнитосферного взаимодействия мощными КВ радиоволнами, инжектируемыми с поверхности Земли в ночную авроральную ионосферу.
Раздел 4.1 посвящен исследованиям модификации локальных ионосферных и продольных токов' КВ нагревным комплексом EISCAT в г. Хромее. Показано, что в цикле нагрева во время установления фонового вытекающего из ионосферы продольного тока наблюдались ионосферные и магнитные пульсации с периодом 100-120 с. соответствующим времени распространения Альвеновской волны от ионосферы до магнитосферы и обратно (для L = 6.2). Можно ожидать, что накачка мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ^-область ионосферы вызывает генерацию Альвеновских волн в искусственно возмущенной области ионосферной проводимости. В этих условиях дополнительные продольные токи Альвеновской волны (выходящей из ионосферы и отраженной от магнитосферы) приведут к модуляции фонового продольного тока и, как следствие, к появлению пульсаций. Детально рассмотрены поляризационные характеристики магнитных вариаций но данным всех магнитометров, входящих в сеть IMAGE. Обнаружено изменение направления вращения горизонтальною вектора магнитных пульсаций в узкой широтной области (110 км) в окрестности Тромсе.
В разделе 4.2 рассмотрены результаты комплексных экспериментальных исследований но триггированию локальных авроральных активаций вследствие контролируемой накачки мощных КВ радиоволн в ночную авроральную ионосферу. Выполнен детальный анализ результатов пяти нагревных экспериментов, в которых наблюдались авроральные активации. Суммируя комплексные экспериментальные данные, можно выделить следующие особенности, связанные с активациями:
22
- модификация авроральной дуги и ее "взрыв" над Тромсе;
- локальные изменения горизонтальных ионосферных токов и проводимостей;
- резкие возрастания электронной и ионной температур (в 2-3 раза) в направлении, параллельном магнитному полю в широком диапазоне высот 200 - 600 км;
- интенсивный вынос ионов (скорости ионов до 350 м/с) в направлении, параллельном магнитному полю;
- усиленные мощной волной накачки ионные линии;
- возрастание горизонтальных электрических полей;
характерные изменения динамических доплеровских спектров (генерация широкополосного спектрального рассеяния, появление дополнительных доплеровских треков и т. д.);
- авроральная активация в локализованной широтной области над Тромсе. Предложена следующая цепочка событий, приводящих к триггировашио
локальных авроральных активаций:
- образование области искусственно повышенной проводимости па высотах Е слоя ионосферы в магнитной силовой трубке, опирающейся на нагревной комплекс;
возбуждение неустойчивости, управляемой продольным током, которая начнется раньше над искусственной неоднородностью проводимости и приведет к дальнейшему усилению продольного тока и возникновению положительной обратной связи в ионосферно-маг нитосферном взаимодействии;
- возбуждение низкочастотной турбулентности, приводящей к падению потенциала в магнитной силовой трубке и аномальному сопротивлению;
- аномальное сопротивление вызывает усиление параллельного электрического поля £ц;
- появление "убегающих" из ионосферы ионов и электронов приводит к возбуждению (усилению) токовых неустойчивостей и к образованию дополнительной области ускорения на низких высотах от 300 до 1000 км;
- параллельное электрическое поле, турбулентный нагрев плазмы, ускорение "убегающих" элекфонов являются возможными механизмами диссипации
23
Альвеновских воли в турбулентном Альвеновском пограничном слое ионосферного Альвеновского резонатора;
ламинарная магнит осферная конвекция переходит в турбулентное состояние (происходит "отсечка" магнитосферной конвекции от ионосферы).
Сделано заключение, что локальное триггирование авроральной акгивации требует особых геофизических условий, а именно, накопления энергии в хвосте магнитосферы и усиления магнитосферной конвекции. Энергетическим источником для авроральной интенсификации остаются процессы взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы.
В пятой главе приведены результаты исследований возмущений, обусловленных выбросами паров щелочных металлов. Исследования выполнялись на основе использования дистанционных методов диагностики и численного моделирования характеристик распространяющихся КВ радиоволн.
В разделе 5.1 дан краткий обзор основных научно-исследовательских программ и результатов, полученных в активных экспериментах.
Результаты экспериментов по дистанционной диагностике выбросов паров щелочных металлов с борта геофизических ракет на высотах 140-160 км в районе Волгограда (Г * 2) в рамках научных программ Росгидромета в 1989-1990 г.г. рассмотрены в разделе 5.2. По данным КВ доплеровских наблюдений на сети пространственно-частотно разнесенных радиотрасс, пересекающих район выбросов, проведена классификация и выделено четыре характерных типа возмущений. Возмущения 1 типа проявлялись как резкое кратковременное уширение доллеровского спектра в момент инжекции и разлета паров щелочного металла. Групповые квазипериодические всплески (возмущения И типа) наблюдались в виде резких пульсирующих уширеиий доплеровских спектров через 2-4 минуты после момента выброса. Наиболее вероятно, что возмущения II типа связаны с пульсирующим потоком высыпающихся электронов вследствие развития циклотронной неустойчивости. Возмущения III типа характеризовались постепенным смещением частот максимумов доплеровских спектров, обусловленным смещением искусственного плазменного образования под действием электрического поля и термосферных ветров. Возмущения IV типа
24
наблюдались в виде дополнительных волнообразных треков с периодами порядка 10 мин на динамических доплеровских спектрах диагностических КВ сигналов.
В разделе 5.3 рассмотрены возмущения в ионосфере во время активных экспериментов по проекту CRR.ES в июле-августе 1991 г. Выбросы бария проводились в районе Карибского моря на высотах 400-500 км, т.с. выше высоты максимума Р2 слоя ионосферы. Экспериментальные наблюдения эффектов выбросов осуществлялись доплеровским методом на сети пространственночастотно разнесенных радиотрасс, пересекающих район выброса, с пунктами приема в С.- Петербурге и на борту научно-исследовательского судна (НИС) "Профессор Зубов". Протяженность диагностических трасс составляла от 5500 км до 12000 км. Кроме КВ доплеровских наблюдений осуществлялись наблюдения методом наклонного зондирования ионосферы (НЗ) на скользящей частоте в диапазоне частот 3,5-27,5 МГц. Данные НЗ использовались для введения поправок в модель ионосферы при проведении расчетов характеристик КВ сигналов на диагностических трассах. Анализ динамических доплеровских спектров диагностических КВ сигналов, проходящих через район выбросов, показал идентичность типов возмущений, наблюдавшихся при выбросах на высотах 140-160 км и 400-500 км. Детальное исследование динамических доплеровских спектров КВ сигналов на сети радиотрасс во время эксперимента 13 июля 1991 г. и результаты численного моделирования траекторных и доплеровских характеристик позволили определить относительные изменения электронной концентрации АЫ/ТУ слоя /'2 в различные моменты времени после выброса в регионе 22-40°N и 50-75°\\\ Во время экспериментов обнаружено наличие волновых процессов с периодами 47-58, 19-24 и 10-13 мин. При этом волновые возмущения с периодами 47-58 и 19-24 мин обусловлены эффектами магнитных бурь. Наибольший интерес представляют волновые процессы с периодами 10-12 мин, которые появились через 2-3 минуты после выброса и существовали на временном интервале порядка 30 мин. Указанные короткопериодные волновые процессы могли быть инициированы выбросами бария.
Шестая глава посвящена рассмотрению естественных возмущений в ионосфере по данным методов дистанционной диагностики.
25
В разделе 6.1 предложен метод диагностики и идентификации глобальных магнитно-ионосферных возмущений (внезапных ионосферных возмущений чипа внезапной девиации частоты SFD и внезапных начал магнитных бурь SCF) по данным многоканальных КВ доплеровских измерений на сети радиотрасс. Метод обеспечивает обнаружение возмущений в реальном времени на начальной фазе их развития (через 12-24 с после начала). Применение доплеровского метода и введение корреляционного признака между вариациями доплеровских смещений частот ft на разнесенных радиотрассах обеспечивает высокое временное разрешение и достоверность получаемых результатов. Использование для измерений мировой сети КВ передатчиков, удаленных от пункта наблюдений на расстояние /)> 9000 км позволяет осуществлять практически круглосуточную оперативную диагностику SFD и SCF при наблюдениях в одном пункте. Проведена апробация предлагаемого метода диагностики на радиотрассах различной протяженности (от 500 до 13000 км) и ориентации (среднеширотные, субавроральные и авроральные) в течение четырех лет непрерывной работы, которая показала высокую эффективность метода для оперативной диагностики глобальных магнитно-ионосферных возмущений.
Волновые процессы в ночной авроральной ионосфере но данным комплексных радиофизических наблюдений доплеровским методом и методом НЗИ одновременно на сети радиотрасс рассмотрены в разделе 6.2. Основное внимание уделено анализу наименее изученных короткопериодных волновых процессов в F-области ионосферы с периодами от 30 е до 10 мин. роль которых может оказаться весьма существенной в процессах магнитосферно- ионосферного взаимодействия. Детальный анализ волновых вариаций ft в течение 18 суббурь показал наличие двух разновидностей волновых явлений, различающихся но параметрам и условиям возникновения. Волновые процессы первого типа с периодами 40-90 е преимущественно наблюдались во взрывную и реже в предварительную фазы суббури. Наиболее вероятная область наблюдения волновых процессов расположена на инвариантных широтах Ф[ = 61-62° при В/<0 и на Ф[ = 62-65° при Bz>0 вблизи экваториальной границы авроральной зоны. Обнаружена корреляция между наблюдаемыми волновыми вариациями fd и магнитными пульсациями Pi2. Волновые возмущения второго типа, с периодами
26
от 2 до 10 мин, появлялись в максимуме активной фазы и далее регистрировались в фазу восстановления суббури. Они генерировались в центре авроральной зоны, т.е. на 3-4° севернее, чем волны с периодами 40-90 с. Возможным механизмом генерации волновых возмущений второго типа могут быть короткопериодные атмосферные гравитационные волны, которые "запускаются" резкими всплесками электрических полей через Джоулей нагрев. Другим возможным механизмом генерации волновых процессов второго типа (особенно в короткопериодном диапазоне) могут быть акустические волны в нейтральной атмосфере, которые могут возбуждаться при движении дуг сияний со сверхзвуковыми скоростями.
Тонкая структура дневной высокоширотной ионосферы в области клефта/каспа рассмотрена в разделе 6.3. Установлено, что характерной особенностью ионосферных сигнатур каспа является значительная ширина доплеровских спекгров. до 8-10 Гц, а также наличие волновых процессов от 30-40 с до 3-8 мин. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о сильной пространственной неоднородности ионосферных структур в области каспа, что подтверждается характерными и быстрыми изменениями доплеровских спектров диагностических КВ сигналов (наличие расслоений, сильной диффузности. появление дополнительных аномальных треков, отсутствием корреляции между вариациями // при пространственном разносе областей отражения на 5°).
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
1. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ НАЗЕМНОЙ ДИАГНОСТИКИ ИОНОСФЕРНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ИСКУССТВЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ СИСТЕМЕ
1.1. Краткое описание сети наблюдений
В данном разделе рассмотрены принципы построения наземной сети наблюдений искусственных и естественных возмущений в ионосферно-магнитосферной системе, приведено описание средств и методов дистанционной диагностики, разработанных в ДАНИИ, а также используемых зарубежных средств диагностики.
1.1.1. Принципы построения
Отечественные исследования в области высокоширотной геофизики традиционно обеспечиваются преимущественно наземными наблюдениями. В настоящее время в Российской Арктике функционирует сравнительно немногочисленная есть станций вертикального (ВЗ) и наклонного (ИЗ) зондирования ионосферы, а также сель пунктов магнитных и риометрических наблюдений. Несмотря на существование сети геофизических наблюдений в Арктике, она совершенно не предназначена и не может быть использована для мониторинга быстропротекающих процессов искусственного и естественного происхождения в магнитосферно-ионосферной системе. Мониторинг естественных и искусственных возмущений в ионосфере подразумевает создание специально-ориентированной сети, оснащенной специализированными радиофизическими и геофизическими средствами наблюдений, обладающими повышенной чувствительностью, информативностью и высоким пространственным и временным разрешением.
На современном этапе основными используемыми средствами и методами диагностики являются: доплеровский метод регистрации характеристик КВ
28
сигналов при наклонном и вертикальном распространении радиоволн, КВ и УКВ радары обратного ’ рассеяния, оптические методы, радары некогерентного рассеяния радиоволн, регистрация вариаций магнитного поля Земли, включая магнитные пульсации, а также ОНЧ-СНЧ излучений, в том числе на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и т.д. Диагностику искусственных возмущений различного происхождения на фоне естественных вариаций состояния среды целесообразно осуществлять на основе комплексного использования различных независимых методов.
Существующая в Российской Арктике сеть магнитных и риометрических станций, а также станций ВЗ и трасс НЗ позволяет вести крупномасштабную "фоновую" диагностику состояния околоземной среды. Современные высокоэффективные средства диагностики такие, как радары некогерентного рассеяния, когерентные КВ радары обратного рассеяния (система БиРЕІФАІІМ), широко используемые за рубежом, требуют значительных капиталовложений и в настоящее время в России отсутствуют. Отметим, что для диагностики возмущений в магнитосферно-ионосферной системе широкими возможностями обладают дистанционные методы, которые обеспечивают получение информации и проведение наблюдений за динамикой развития возмущений, вызванных различного рода воздействиями, как естественного, гак и искусственного происхождения, на значительных расстояниях от места воздействия.
В работе обобщены результаты экспериментальных исследований искусственных и естественных возмущений в ионосфере, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в период 1985-2001 г. Для диагностики возмущений были использованы следующие средства:
- многоканальный цифровой КВ доплеровский комплекс "Аврора" для приема, регистрации и обработки КВ сигналов одновременно на 8 радионаправлениях, разработанный в АА1 ШИ;
- цифровой ионозонд многоцелевого назначения "Бизон", обеспечивающий проведение измерений в режимах вертикального (ВЗ), наклонного (НЗ) зондирования ионосферы, а также в режиме наклонного обратного рассеяния (НОР), разработанный НПО "Юпитер" по заказу и при непосредственном участии специалистов ААІІИИ;
29
- станции наклонного зондирования ионосферы, разработанные в АЛІІИИ.
Доплеровский комплекс "Аврора" (стационарный вариант) установлен на научно-исследовательской станции ААІІИИ "Горьковская" вблизи г. С.-Петербург (59.95°N. 30,7°Е). Карча исследовательских радиотрасс, на которых
осуществлялась дистанционная диагностика искусственных и естественных возмущений в ионосфере доплеровским методом, показана на рис. 1.1. Кроме стационарного для исследований был использован передвижной приемный КВ доплеровский комплекс, установленный на научно-исследовательских судах Воском гидромеча.
Цифровой ионозонд "Бизон" также установлен чча обсерватории "Горьковская", где он работает в режимах ВЗ, ИЗ, и НОР. Еччче один ионозонд "Бизон" расположен на геофизической станции Ловозеро (65.97°N, 35,08°Е), вблизи ч\ Мурманск.
Сеть трасс наклонного зондирования ионосферы ДАНИИ показана на рис.
1.2.
При проведении экспериментов и анализе экспериментальных данных были также использованы зарубежные диагностические средства, включая IMAGE сеть магнитометров в Скандинавии, радар ччекочерентноч о рассеяния EISCAT, цифровую камеру всего неба в Тромсе (Норвегия) и др.
Ниже остановимся чча основных характеристиках чч возможностях используемых средств и методов для диагностики возмущений в магнитосферно-ионосферной системе, вызванных воздействием различных источников ччскусствснного и естественного происхождения.
1.1.2. Многокаччалычый цифровой КВ доплеровский комплекс
Доплеровский метод регистрации характеристик сигналов при вертикальном и наклонном распространении декамстровых радиоволн ччозволяст изучать широкий класс быстролротекаючцих процессов в ионосфере как естественного, так и искусственного происхождения.
Доплеровский сдвиг частоты f(t КВ сигнала в месте приема определяется выражением
Рис. 1.1 Карта исследовательских доплсровских КВ радиотрасс ДАНИИ
20 40 60 80
Рис. 1.2 Сеть трасс наклонного зондирования ионосферы в Арктике