Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование неоднородностей километрового масштаба в F-области высокоширотной ионосферы по данным о мерцаниях спутниковых радиосигналов

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Козлова, Марина Олеговна

Введение

ГЛАВА 1. СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ДИСПЕРСИЕЙ УРОВНЯ

РАССЕЯННОЙ РАДИОВОЛНЫ И ПАРАМЕТРАМИ РАССЕИВАЮЩИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

1.1. Вывод формулы дисперсии уровня рассеянной радиоволны

1.2. Соотношение между теоретической функцией дисперсии уровня и ее 23 оценкой в экспериментах по спутниковому радиопросвечиванию

ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ

ВЫСОКОШИРОТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КИЛОМЕТРОВОГО МАСШТАБА С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДЕЛИ ТРЕХМЕРНО-АНИЗОТРОПНОГО СТЕПЕННОГО СПЕКТРА

2.1. Расчет теоретических значений дисперсии уровня амплитуды

2.2. Закономерности изменения интенсивности ракурсного максимума 29 дисперсии уровня амплитуды

2.3.Форма ракурсного максимума

2.4. Зависимость кривых дисперсии уровня амплитуды от высоты и толщины 39 ионосферного слоя

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ 47 НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ О ВЫСОКОШИРОТНЫХ МЕРЦАНИЯХ.

3.1. Аппаратура для приема и регистрации спутниковых сигналов

3.2. Описание экспериментов

3.3. Методика обработки данных

3.4. Результаты сопоставления модели с экспериментальными данными о 60 высокоширотных мерцаниях

3.4.1. Эксперимент в Скандинавии, ноябрь 1995 г.

3.4.2. Эксперимент на Кольском полуострове зимой 1996 года.

3.4.3. Эксперимент в п. Верхнетуломский в апреле 1997 года.

3.4.4. Эксперимент по разогреву ионосферы в ноябре 1997 г. в 87 Скандинавии.

3.4.5. Эксперимент по регистрации спутниковых радиосигналов на арх. 93 Шпицберген.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование неоднородностей километрового масштаба в F-области высокоширотной ионосферы по данным о мерцаниях спутниковых радиосигналов"

Диссертация посвящена развитию методов исследований неоднородностей флуктуации электронной плотности в высокоширотной ионосфере. Описан новый подход к исследованию высокоширотных неоднородностей километрового масштаба, основанный на анализе рассеяния спутниковых радиосигналов на трехмерно-анизотропных высокоширотных неоднородностях электронной плотности и открывающий возможность изучения параметров спектра и пространственного распределения неоднородностей, а также ионосферной конвекции.

Актуальность темы

Проблема неоднородной структуры ионосферной плазмы является одной из ключевых в области физики ионосферы. Изучение ионосферных неоднородностей имеет большое значение как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в плане практических применений. Особенный интерес представляет исследование неоднородностей высокоширотной ионосферы. Известно, что высокоширотные неоднородности образуются вследствие динамических процессов, изменяющих структуру регулярной ионосферы. Таким образом, появление, структуру и эволюцию неоднородностей можно рассматривать как индикаторы физических процессов, управляющих состоянием высокоширотной ионосферы. С другой стороны, интерес к исследованию появления и пространственно-временного распределения ионосферных неоднородностей стимулируется бурным прогрессом в развитии электронных систем связи и локации, поскольку неоднородности электронной концентрации во многом определяют условия распространения радиоволн, особенно в высоких широтах, где интенсивность неоднородностей выше и существуют они практически постоянно. Проявлением наличия неоднородностей в ионосфере являются мерцания радиосигналов, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу и обусловленные дифракцией на флуктуадиях электронной плотности.

Исследование мерцаний радиосигналов является одним из основных методов изучения неоднородностей электронной плотности ионосферы III. Кроме этого, существуют и другие методы исследований ионосферных неоднородностей, которые можно подразделить на методы прямых измерений и методы дистанционного зондирования, такие как вертикальное зондирование и зондирование на основе прямого и обратного рассеяния радиоволн /2/. В прямых методах проводятся измерения локальных ионосферных параметров на борту ракет или ИСЗ. Разработаны зонды для исследования электронной концентрации, температуры, напряженности электрического поля и скорости ионного дрейфа /3/. В экспериментах по вертикальному зондированию исследуют особенности отражения радиоволн от ионосферы, которые характеризуют ее неоднородную вертикальную структуру. Если частота радиоволны превышает некоторый предел, основная часть энергии переносится в космическое пространство, однако небольшая ее часть рассеивается назад в результате рассеяния на флуктуациях лотност

ЭЛекТРОННОИ^^оносферной плазмы, возникающих в процессе ее теплового перемешивания. На этом принципе основана работа станций некогерентного рассеяния /4/. Метод некогерентного рассеяния радиоволн позволяет исследовать неоднородности с размерами более десяти километров. Однако такие исследования являются чрезвычайно дорогостоящими.

Среди дистанционных методов исследования неоднородной структуры ионосферы благодаря простоте измерений широкое распространение имеют методы, основанные на исследовании трансионосферного распространения радиоволн как от естественных источников, таких, как радиозвезды, так и от искусственных (передача радиоволн с ИСЗ). При этом информацию о неоднородностях несут как флуктуации фазы радиоволн (что является основой для радиотомографических исследований крупномасштабной структуры электронной плотности с характерными размерами порядка десятков и сотен километров, /5/), так и мерцания амплитуды сигналов.

Само существование ионосферных неоднородностей было обнаружено в 1946 году именно по результатам наблюдения короткопериодических нерегулярных флуктуаций интенсивности излучения на частоте 64 МГц от радиозвезды в созвездии Лебедя /6/. Связь наблюдавшихся флуктуаций интенсивности с ионосферой была установлена уже в первых работах по наблюдению за мерцаниями в Великобритании, проведенными в 1949-1950 гг 111. После запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году были обнаружены ионосферные мерцания радиосигналов от ИСЗ /812/. В начале 70-х гг. были открыты мерцания сигналов гигагерцевого диапазона /13,14/.

Со времени запуска ИСЗ спутниковое радиопросвечивание стало одним из самых распространенных дистанционных методов исследований ионосферы.

Существуют разные схемы радиопросвечивания, в которых спутниковые сигналы, излучаемые на одной или нескольких частотах, измеряются на одном или нескольких приемниках, расположенных на поверхности Земли или размещенных на спутниках. В целом по результатам многочисленных наблюдений обнаружены мерцания в диапазоне частот от 10 МГЦ до бГГц /1/. Масштаб ионосферных неоднородностей, которыми обусловливается эффект мерцаний, меняется от нескольких метров до десятков километров. Исследование высокоширотных ионосферных неоднородностей с размерами от нескольких сотен метров до первых километров является важной частью общей физической проблемы изучения структуры ионосферы. Неоднородности такого масштаба оказывают влияние на распространение УКВ диапазона, что, с одной стороны, определяет значимость их исследования, а с другой -указывает способы их изучения на основе радиофизических методов.

Начиная с 50-х годов XX века изучению ионосферных неоднородностей уделяется большое внимание. Многочисленные исследования мерцаний радиоволн совместно с радарными измерениями некогерентного рассеяния показали, что неоднородности, вызывающие высокоширотные мерцания, расположены в F слое ионосферы на высотах в среднем 250-400 км /15, 16/. В работах, посвященных изучению морфологии мерцаний и связанных с ними неоднородностей, показано, что граница возрастания активности мерцаний в высоких широтах имеет четкую связь с положением полярной стенки главного ионосферного провала и овала полярных сияний /15-19/. Некоторые исследования выявили наличие мерцаний и на экваториальной стенке провала /20/. Неоднородности наблюдаются и севернее полярной стенки провала, однако они изучены гораздо хуже. На основе выявленной корреляции усиления мерцаний с увеличением геомагнитной и солнечной активности делается вывод об увеличении вероятности появления неоднородностей в эти периоды. Неоднородности чаще наблюдаются в вечерние и ночные часы.

Большое внимание уделялось изучению формы спектра неоднородностей /21,22/. Во многих работах показано, что наиболее подходящей моделью спектра неоднородностей является степенная модель с показателем степени /3,15, 16, 21-22/ от 3 до 4. Пожалуй, единственным методом исследования анизотропии неоднородностей до недавнего времени было изучение дифракционной "тени" от неоднородностей при наблюдениях методом разнесенного приема. Этот метод заключается в регистрации спутниковых сигналов, просвечивающих ионосферу, на систему из нескольких близко расположенных приемников. Обработка данных измерений методом корреляционного анализа позволяет определить величину полуосей эллипсов корреляции на поверхности Земли и таким образом получить косвенное представление об анизотропии неоднородностей. Уже первые результаты измерений позволили сделать вывод о том, что неоднородности, вызывающие мерцания радиосигналов, вытянуты в направлении геомагнитного поля /1/. Впоследствии этот вывод был подтвержден результатами многочисленных исследований. По оценкам разных авторов, соотношение осей вытянутости неоднородностей составляет 5:2:1 /20/, 8:5:1. В работе /24/ вводится классификация неоднородности в зависимости от соотношения осей. По мнению авторов, существующие неоднородности можно разделить на стержни (rods, соотношение осей а:1:1), крылья (wings, соотношение осей a:b:l, Ь<а) и листы, или пласты (sheets, соотношение осей а:а:1). В указанной работе сообщается о неоднородностях с соотношением осей 5:1:1, 15:1:1, 10:10:1 и отмечается, что с увеличением геомагнитной широты более вероятно наблюдение стержней, а на меньших широтах наблюдаются крылья и листы. В более ранние вечерние часы наблюдаются неоднородности с меньшими значениями вытянутости вдоль поля (а=5), а в полуночные часы - с большими (а=10). Там же указано на связь вытянутости неоднородностей с конвекцией. Однако корреляционный метод дает лишь "эффективные" значения вытянутости неоднородностей, по которым реальные параметры анизотропии определить невозможно, поэтому вопрос об истинных значениях параметров вытянутости неоднородностей до сих пор оставался открытым.

Вопросу об ориентации неоднородностей уделялось меньшее внимание. Moorcroft and Arima /25/ обнаружили крупномасштабные неоднородности, вытянутые вдоль направления север-юг; в работе Rino /26/ сообщается о вытянутости таких неоднородностей вдоль L-оболочки. В работах /18, 19/ была обнаружена вытянутость неоднородностей вдоль направления восток-запад. До недавнего времени проблема исследования ориентации поперечной к магнитному полю анизотропии неоднородностей и ее связи с какими-либо физическими процессами также не была решена.

На основе большого объема экспериментальных данных Fremow предложил эмпирическую модель глобального поведения мерцаний WBMOD /27/. Модель построена в предположении тонкого фазового экрана и степенного спектра неоднородностей с фиксированным показателем степени. Входными значениями модели являются гелиогеофизические параметры, геометрия и параметры эксперимента, а также физические и геометрические параметры неоднородностей. Вытянутость неоднородностей вдоль геомагнитного поля описана через параметр геомагнитной инвариантной широты точки наблюдений, а вытянутость неоднородностей в перпендикулярном к магнитном полю направлении - через величины геомагнитного времени и параметры границы мерцаний, зависящие от индекса геомагнитной активности и геомагнитного времени. В 1995-97 году предложен усовершенствованный вариант модели WBMOD /28/. Однако модель WBMOD, отражая морфологические особенности глобального распределения неоднородностей, дает лишь качественное соответствие между теорией и экспериментом и малопригодна для описания реальных экспериментальных данных, особенно в высокоширотной ионосфере.

В исследованиях, связанных с высокоширотными неоднородностями, большое внимание уделено также механизмам образования неоднородностей. Вначале считалось, что возникновение неоднородностей в высокоширотной ионосфере тесно связано с высыпаниями энергичных частиц /29,30, 31/. Однако в работах /16, 32/ показано, что роль процессов высыпания значительна только в формировании неоднородностей с размерами более 10 км на высотах максимума F-слоя. Генерация неоднородностей с размерами порядка километра, вероятно, в определяющей степени связана с развитием плазменных неустойчивостей, возникающих в областях резких градиентов концентрации и заметных электрических полей /16, 33/. Наиболее вероятным механизмом генерации километровых неоднородностей считается градиент-дрейфовая плазменная неустойчивость. Если в среде присутствует градиент плотности в некотором направлении и перпендикулярное к нему электрическое поле, то появляется электрическое поле поляризации, действующее таким образом, что первоначальное возмущение усиливается: плазма малой концентрации перемещается в области с меньшей концентрацией и наоборот /16/. Расчеты показывают, что условия развития градиент-дрейфовых неустойчивостей часто соблюдаются в реальной ионосфере. Таким образом, исследованиями установлена большая роль крупномасштабных градиентов плотности и электрических полей в генерации высокоширотных неоднородностей километрового масштаба.

Актуальность работы состоит в том, что, несмотря на неубывающий интерес к исследованию структуры высокоширотных неоднородностей километрового масштаба, в настоящее время многие вопросы, касающиеся структуры и пространственного распределения неоднородностей, остаются малоизученными или не изученными совсем. Не существует метода прямого определения параметров анизотропии неоднородностей и их пространственного распределения. Меньше всего известно об ориентации поперечной к магнитному полю анизотропии неоднородностей. Из-за отсутствия необходимых экспериментальных данных о вышеперечисленных параметрах неоднородностей невозможно построить адекватную модель для описания структуры и морфологии километровых неоднородностей высокоширотной ионосферы, которая обеспечила бы удовлетворительное качественное и количественное согласие с экспериментальными данными. Таким образом, задача исследования структуры неоднородностей километрового масштаба остается актуальной с точки зрения фундаментальных знаний о физике ионосферы. Растет и практический интерес к изучению километровых неоднородностей, обусловленный развитием разного рода электронных систем, основанных на использовании радиоволн (в частности, в GPS системах учет километровых неоднородностей необходим для исключения влияния ионосферы на фазу сигнала, что чрезвычайно важно для увеличения точности таких систем).

Целью работы является создание прямого метода исследования высокоширотных ионосферных неоднородностей километрового масштаба, способного дать информацию о параметрах спектра и пространственном распределении неоднородностей на основе анализа ионосферных мерцаний и пригодного для исследования динамических процессов в высокоширотной ионосфере.

Научная новизна работы заключается в следующем

- создан метод определения параметров спектра трехмерно-анизотропных высокоширотных неоднородностей километрового масштаба;

- впервые обнаружена различная ориентация поперечной к магнитному полю анизотропии высокоширотных неоднородностей электронной плотности в различных геофизических условиях и получены данные о параметрах вытянутости неоднородностей вдоль магнитного поля и в перпендикулярном ему направлении;

- на основе сопоставления данных радиопросвечивания с данными EISCAT об электрическом поле впервые показано, что в поперечной к геомагнитному полю плоскости неоднородности вытягиваются в направлении, близком к направлению дрейфа ионосферной плазмы в F-области высокоширотной ионосферы;

- теоретически обоснована и путем моделирования доказана применимость метода статистической радиотомографии для исследования пространственного распределения трехмерно-анизотропных неоднородностей километрового масштаба в высокоширотной ионосфере.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в диссертации результаты дают решение многих вопросов, связанных с неоднородной структурой ионосферы и не исследованных ранее.

На основе разработанного метода исследований высокоширотных неоднородностей километрового масштаба открывается возможность получать данные о параметрах спектра неоднородностей - об ориентации поперечной к магнитному полю анизотропии неоднородностей и степени их вытянутости вдоль магнитного поля и в перпендикулярной к магнитному полю плоскости. Экспериментальные данные о параметрах анизотропии неоднородностей позволят исследовать физические механизмы их генерации.

Установленная связь ориентации неоднородностей в перпендикулярной к магнитному полю плоскости с направлением дрейфа ионосферной плазмы позволяет исследовать ионосферную конвекцию по наземным измерениям ионосферных мерцаний.

Теоретическое обоснование статистической радиотомографии случайно-неоднородных трехмерно-анизотропных сред открывает перспективы томографического восстановления дисперсии флуктуаций электронной плотности километрового масштаба в ионосфере.

Метод определения параметров анизотропии и пространственного распределения неоднородностей и установленная связь ориентации поперечной анизотропии с ионосферной конвекцией могут быть использованы для построения эмпирических моделей высокоширотных неоднородностей километрового масштаба.

Данные о структуре и пространственном распределении неоднородностей в ионосфере также имеют определяющее значение для прогнозирования условий работы постоянно развивающихся электронных средств связи.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое соотношение, в явном виде описывающее связь дисперсии логарифма относительной амплитуды рассеянного радиосигнала с параметрами степенного трехмерно-анизотропного спектра неоднородностей, их пространственным распределением и геометрией эксперимента в случае слабых ионосферных мерцаний. Применимость модели трехмерно-анизотропного степенного спектра для описания высокоширотных неоднородностей флуктуаций электронной плотности километрового масштаба.

2. Метод исследования параметров трехмерной анизотропии высокоширотных неоднородностей километрового масштаба, основанный на анализе ракурсного усиления мерцаний.

3. Получение данных о параметрах анизотропии неоднородностей: (а) выявление разной ориентации поперечной анизотропии неоднородностей в разных условиях, (б) определение вытянутости неоднородностей вдоль геомагнитного поля и в перпендикулярной к нему плоскости.

4. Взаимосвязь ориентации поперечной анизотропии высокоширотных неоднородностей с направлением дрейфа ионосферной плазмы

5. Теоретическое обоснование возможности применения метода статистической радиотомографии для исследования пространственного распределения трехмерно-анизотропных неоднородностей километрового масштаба в высокоширотной ионосфере.

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации докладывались на XVIII и XIX Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (С.-Петербург, 1996 , Казань, 1999), 9th International EISCAT Workshop (Wernigerode, Germany, 1999), XXXIII Annual Conference of the Finnish Physical Society (Turku, Finland, 1999), ассамблея IUGG-99 (Birmingham, UK, 1999), XXVI General Assembly of URSI (Toronto, Canada, 1999), XXIII и XXIV ежегодных Апатитских семинарах "Физика авроральных явлений" (Апатиты, 2000 и 2001), International Beacon Satellite Symposium (Boston, USA, 2001), 10th International Ionospheric Effects Symposium (Alexandria, USA, 2002).

По теме диссертации опубликовано 20 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 6 реферируемых изданиях. Ниже приведен список публикаций автора по теме диссертации.

Статьи.

1. Е.Д.Терещенко, М.О.Козлова, О.В.Евстафьев. Радиотомография мелкомасштабных ионосферных неоднородностей электронной плотности // Геомагнетизм и Аэрономия. - 1998. - Т. 38, № 4. - С.62-72.

2. Tereshchenko E.D., B.Z.Khudukon, M.O.Kozlova, T.Nygren. Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver // Ann. Geophysicae. -1999. - No. 17. - P.508-518.

3. Nygren, Т., E.D.Tereshchenko, B.Z. Khudukon, M.O.Kozlova, and O.V.Evstafiev. Comparison of the orientation of small scale electron density irregularities and plasma flow in the F region ionosphere II Proceedings of the XXXIII Annual Conference of the Finnish Physical Society, Department of Physics, University of Turku. -1999. - Rep. Turku-FL-L28. -P. 4.45.

4. М.О.Козлова, Е.Д.Терещенко. Статистический подход в ионосферной томографии. // Коллективная монография "Физика околоземного космического пространства". - Глава 2 "Ионосферные процессы". - С.248-280. - Апатиты: Изд. КНЦ РАНю - 2000.

5.E.D.Tereshchenko, B.Z.Khudukon, M.O.Kozlova, O.V.Evstafiev, T.Nygren, M.T.Rietveld, A.Brekke. Comparison of the orientation of small-scale electron density irregularities and F region plasma flow direction // Ann.Geophysicae. -2000. - V.18, No.8. -P.918-927.

6.E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, O.V.Evstafjev, B.Z.Khudukon, T.Nygren, M.T.Rietveld, A.Brekke. Irregular structures of the F layer at high latitudes during ionospheric heating // Ann.Geophysicae. - 2000. - V.l 8, No.9. - P. 1197-1209.

7. Koslova M.O., Tereshchenko E.D., Romanova N. Yu, Khudukon B.Z., and Evstafiev O.V. Investigation of Sub-kilometer irregularities in the F-region High Latitude Ionosphere by Means of Satellite Radio Probing // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium, June 3-6, 2001, Boston, USA. - P.211.

8. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, B.Z.Khudukon, O.V.Evstafiev. Investigation small-scale irregularities in the high-latitude F region ionosphere from amplitude data of satellite radio probing. // Proceedings of the XXIII Annual Apatity Seminar "Physics of Auroral Phenomena". -Preprint PGI 00-01-108. -Apatity: KSC RAS, PGI, 2001. -P.82-85.

9. Терещенко Е.Д., Н.Ю. Романова, M.O. Козлова. Сопоставление поперечной к магнитному полю анизотропии мелкомасштабных неоднородностей с моделью ионосферной конвекции // Геомагнетизм и Аэрономия. - 2002. -Т.42, № 4. -С.1-6.

10. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, V.E.Kunitsyn, E.S.Andreeva. Statistical tomography of subkilometer irregularities in the high latitude ionosphere // Proceedings of IES2002, Alexandria, USA, 2002. - 6A5, P. 1-8.

Тезисы

11. Терещенко Е.Д., Худукон Б.З., Евстафьев О.В., Козлова М.О. О применении радиотомографического подхода для исследования мелкомасштабных неоднородностей электронной плотности в ионосфере // Тезисы докладов на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. - С.-Петербург, 17-19 сентября 1996 года, изд. - Москва, 1996.

12. Терещенко Е.Д., Худукон Б.З., Евстафьев О.В., Козлова М.О. Анализ среднего поля в авроральной и субавроральной зонах по данным амплитудных измерений в многоточечном эксперименте в Скандинавии // Тезисы докладов на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн, С.-Петербург, 17-19 сентября 1996 года, изд. - Москва, 1996.

13. А.Брекке, О.В.Евстафьев, М.О.Козлова, Е.Д.Терещенко, Б.З.Худукон, Т.Нюгрен. О взаимосвязи между поперечной к магнитному полю анизотропией мелкомасштабных неоднородностей электронной плотности и ионосферной конвекцией в высоких широтах. // Тезисы докладов XIX конференции по распространению радиоволн. Казань, 1999, С.365-366.

14. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, B.Z.Khudukon, O.V.Evstafjev, T.Nygren, A.Brekke, M.T.Rietveld. Comparison of the orientation of small scale electron density irregularities and F region plasma flow direction II Abstracts of the 9th International EISCAT Workshop, Wernigerode, Germany, 6-10 Sept.1999. - P.37.

15. Nygren, Т., Tereshchenko, E.D., Khudukon, Kozlova, M.O. Orientation of small-scale electron density fluctuations and the direction of plasma flow in the ionospheric F layer // Abstracts of IUGG-99, Birmingham, UK. - P. B330.

16. Nygren, Т., Tereshchenko, E.D., Khudukon, Kozlova, M.O. Anisotropy of F Region Density Irregularities and Direction of Plasma Flow // Abstracts of the XXVI General Assembly of International Union of Radio Science, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada, August 13-21, 1999. - P.459.

17. Е.Д.Терещенко, М.О.Козлова, Б.З.Худукон, О.В.Евстафьев. Investigation of small scale irregularities in the high latitude F region ionosphere from amplitude data of satellite radio probing // Abstracts of XXIII Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 14-17 March, 2000. - Preprint PGI 00-01-108. Apatity: KSC RAS, PGI, 2000. -P.45.

18. Koslova M.O., Tereshchenko E.D., Romanova N. Yu, Khudukon B.Z. and Evstafiev O.Y. Investigation of Sub-kilometer irregularities in the F-region High Latitude Ionosphere by Means of Satellite Radio Probing. // International Beacon Satellite Symposium 2001, June 3-6, 2001, Boston College. -2001. - Program and Abstracts. -P.74-75.

19. Romanova N. Yu., E.D. Tereshchenko, M. O. Kozlova. Cross-field anisotropy of small-scale irregularities as compared with model ionospheric convection. // Abstracts of the XXIV Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March, 2001. -Preprint PGI01-01-109. -Apatity: KSC RAS, PGI, 2001. -P.70.

20. Tomographic reconstruction of sub-kilometer irregularities in the F region high latitude ionosphere. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, V.E.Kunitsyn, E.S.Andreeva. Abstracts of IES2002.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при ее непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задачи, ее теоретическом решении, создании программ обработки данных на основе полученных теоретических соотношений, обработке экспериментальных данных спутникового просвечивания и анализе результатов. Базовое теоретическое соотношение выведено автором совместно с дфмн Е.Д.Терещенко. Расчет теоретических значений дисперсии логарифма относительной амплитуды проведен на основе написанных автором программ. Обработка всех экспериментальных данных проведена автором лично. Экспериментальные данные о мерцаниях радиосигналов были получены в ПРИ с использованием оригинальной приемо-регистрирующей аппаратуры ПГИ. На этапе первичной обработки результатов использованы программы для расчета траекторий спутников, написанные |О.В.Евстафьевым| и к.ф.-м.н. Б.З Худуконом. В работе использованы данные международной ассоциации EISCAT об электрическом поле. Расчет модельной ионосферной конвекции проведен Н.Ю.Романовой.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 120 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, список цитируемой литературы из 50 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Козлова, Марина Олеговна

Основные выводы и результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом.

1. В приближении слабых мерцаний получено интегральное соотношение между дисперсией уровня амплитуды рассеянного радиосигнала и параметрами рассеивающих неоднородностей для модели степенного трехмерно-анизотропного спектра.

2. Продемонстрирована применимость модели трехмерно-анизотропного степенного спектра неоднородностей для описания экспериментальных данных о дисперсии уровня амплитуды спутниковых радиосигналов в субавроральной и авроральной областях и в зоне полярной шапки. Показано, что данная модель спектра подходит для аппроксимации неоднородностей как естественного, так и искусственного происхождения.

3. На основе полученного теоретического соотношения разработан метод определения параметров спектра неоднородностей в областях их равномерного пространственного распределения в ионосфере. Показано, что с наименьшей погрешностью параметры поперечной к магнитному полю анизотропии наблюдающихся неоднородностей определяются при незенитных спутниковых пролетах, когда минимальный угол луча зрения с магнитным полем составляет 2-3° -15-17°.

4. Получены данные о величине параметров анизотропии высокоширотных неоднородностей километрового масштаба. Обнаружена различная ориентация поперечной к магнитному полю анизотропии неоднородностей, меняющаяся в пределах от 5 до 178° в разных условиях. Показано, что вытянутость неоднородностей вдоль геомагнитного поля меняется от 10 до 100-150, вытянутость в перпендикулярном к магнитному полю направлении - от 2 до 30-40.

5. Показано, что во многих случаях параметры анизотропии неоднородностей, наблюдающихся одновременно в близких точках регистрации (в 50-100 км друг от друга), оказываются близкими, что говорит о пространственной однородности спектра. Согласно сделанным оценкам, протяженность области постоянства спектра составляет 200-400 км.

6. Путем сопоставления данных радиопросвечивания об анизотропии неоднородностей с одновременными данными EISCAT об электрическом поле выявлена взаимосвязь ориентации поперечной анизотропии неоднородностей с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Козлова, Марина Олеговна, Мурманск

1. Р.К.Крейн. Мерцания радиосигналов в ионосфере // ТИИЭР. -1977. -Т.65, №.2. С. 5-29.

2. Б.Е.Брюнелли, А.А.Намгаладзе. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. - 528С.

3. Е Гундзе, Лю Чжаохань. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. -1982. Т.70, № 4. -С.5-45.

4. А.Л.Суни, В.Д.Терещенко, Е.Д.Терещенко, Б.З.Худукон. Некогерентное рассеяние радиоволн в высокоширотной ионосфере. -Апатиты: Изд-во КФ АН СССР, 1988.- 183С.

5. В.Е.Куницын, Е.Д.Терещенко. Томография ионосферы. М.: Наука, 1991.176С.

6. J.S.Hey, S.J.Parsons, and J.W.Phillips. Fluctuations in cosmic radiation at radiofrequencies // Nature (London). 1946. -V. 158. - P.247

7. F.G.Smith, C.G.Little, and A.C.B.Lovell. Origin of the fluctuations in the intensity of radio waves from galactic sources //Nature. -1950. -V.165. -P.422-424.

8. G.S.Kent. High-frequency fading observed on the 40 Mc/s wave radiated from artificial satellite 1957a//J. Atmos. Terrestr. Phys. 1959. - V.16. -P.10-20.

9. K.C.Yeh, and G.W.Swenson, Jr. The scintillation of radio signals from satellites // J.Geophys. Res. -1959. -V.64. -P.2281-2286.

10. K.C.Yeh, G.W.Swenson, Jr., and J.P.McClure. A phenomenological study of scintillation on satellite radio signals // Spring URSI Meeting, Washington DC. 1963.

11. L.Lizka. A study of ionospheric irregularities using satellite transmissions at 54 Mc/s // Arkiv. Geofysik. 1963. -V. 4. -P.227-246.

12. D.G.Singleton and G.J.Lynch. The scintillation of the radio transmissions from Explorer 7 // J.Atmos.Terrestr.Phys. -1962. -V.24. -P.353-374.

13. N.J.Skinner, R.F.Kelleher, J.B.Hacking, and S.W.Benson. Scintillation fading of signals in the SHF band // Nature. -1971. V.232. - P.19-21.

14. R.R.Taur. Ionospheric scintillation at 4 and 6 GHz // COMSAT Tech.Rev. 1973. -V.3. -P.145-163.

15. Дж. Аароне. Глобальная морфология ионосферных мерцаний // ТИИЭР. -1982.-Т. 70, №4. С.45-66.

16. R.T.Tsunoda. High-latitude F region irregularities: a review and syntethis // Reviews of Geophysics. -1988. У.26, N.4. -P.719-760.

17. Fremow E.J., C.L.Rino, R.C.Livingston, and M.D.Cousins. A persistent subauroral scintillation enhancement observed in Alaska // Geophys. Research Lett. 1977. -V. 4. -P.539.

18. B.G. Fejer and M.C. Kelley. Ionospheric Irregularities // Reviews of Geophysics and Space Physics. -1980. -V.18, N.2. -P. 401-454.

19. Fremouw E.J., Leadabrand R.L., Livingston R.C. et al. Early results from the DNA wideband satellite experiment. Complex-signal scintillation // Radio Sci. 1978. -V.13, N.l.

20. E.Martin and J.Aarons. F-layer scintillation and the aurora // J.Geophys.Res. -1977.-V.82.-P.2717.

21. C.L.Rufenach. Power-law wave number spectrum deduced from ionospheric scintillation observations // J. Geophys.Research. -1972. -V.77. -P. 4761-4772.

22. P.L.Dyson. Direct measurements of the size and amplitude of irregularities in the topside ionosphere // J.Geophys.Research.-1969. -V.74. -P.6291 -6303.

23. E.J.Fremouw, private communication, -в /22/.

24. R.C.Livingston, C.L.Rino, J.Owen, and R.T.Tsunoda. The anisotropy of high-latitude nighttime F region irregularities // J. Geophys .Research. -1982. -V.87,N.A12. -P.10519-10526.

25. D.R.Moorcroft and K.S.Arima. The shape of the F-region irregularities which produce satellite scintillations evidence for axial asymmetry // J. Atmos.Terr, Phys. -1972. -V.34. -P.437-450.

26. Rino C.L., and R.C.Livingston. On the analysis and interpretation of spaced-receiver measurements of transionospheric radio waves // Radio Sci. -1982. -V.17, N.4. -P.845-854.

27. Fremow E.J., Secan J.A. Modelling and scientific application of scintillation results // Radio Sci. 1984. - V.19,N.3. -P.687-694.

28. Secan, J,A., R.M. Bussey, E.J.Fremow, and S. Basu. High-latitude upgrade to the wideband ionospheric scintillation model // Radio Sci. V.32. -P.1567-1574.

29. Aarons J., J. P.Mullen, and S.Basu. Geomagnetic control of satellite scintillations // J.Geophys. Research. -1963. -У.68. -P.3159.

30. Basu, S., and J.Aarons. The morphology of high-latitude YHF scintillation near 70° W //Radio Sci. -1980. -V.15. -P.59.

31. М.Г.Гельберг. Неоднородности высокоширотной ионосферы. -Новосибирск: Наука, 1986. 194 С.

32. Kelley, M.C., J.F.Vickrey, C.W.Carlson, and R.Torbert. On the origin and spatial extent of high-latitude F region irregularities // J.Geophys.Research. -1982. -V.87 -P. 4469.

33. Keskinen, M.J., and S.L.Ossakow. Theories of high latitude ionospheric irregularities: A review // Radio Sci. -1983. -Y.18. -P.1077.

34. Рытов C.M., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. -Ч.Н. М.: Наука, 1978.-374С.

35. Терещенко Е.Д. Радиоголографический метод исследования ионосферных неоднородностей. -Апатиты: Изд-во КФ АН СССР, 1987.

36. Tereshchenko E.D., B.Z.Khudukon, M.O.Kozlova, T.Nygren. Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver // Ann. Geophysicae. -1999. -Y.17. -P.508-518.

37. Е.Д.Терещенко, М.О.Козлова, О.В.Евстафьев. Радиотомография мелкомасштабных ионосферных неоднородностей электронной плотности // Геомагнетизм и Аэрономия. 1998. -Т.38, № 4. -С.62-72.

38. T.R.Robinson, The heating of the high-latitude ionosphere by high-power radio waves // Physics Reports. -1989. -V. 179, No.2-3. -P. 79-209.

39. Stubbe P. Review of ionospheric modification experiments in Tromso // J.Atmos.Terr. Phys. -1996. -V.58, No.1-4. -P.349-368.

40. Basu, S., E.Costa, R.C.Livingston, K.M.Groves, H.C.Carlson, P.K.Chaturvedi and P.Stubbe. Evolution of sub-kilometer scale ionospheric irregularities generated by high-power HF waves // J.Geophys.Res. -1997. -V.102, N.A4. -P. 7469-7475.

41. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, O.V.Evstafjev, B.Z.Khudukon, T.Nygren, M.T.Rietveld, A.Brekke. Irregular structures of the F layer at high latitudes during ionospheric heating // Ann.Geophysicae. 2000. -Y.18, N9. -P.l 197-1209.

42. Fremow, E.J., C.L.Rino, R.C.Livingston, and M.C.Cousins. A persistent subauroral scintillation enhancement observed in Alaska // Geophys.Res.Lett. 1977. -V.4. -P.539-542.

43. Rino, C.L., R.C.Livingston, and S.J.Matthews. Evidence for sheet-like auroral ionospheric irregularities // Geophys.Res.Lett. -1978. -V.5. -P.1039-1042.

44. Rino, C.L., and R.C.Livingston, On the analysis and interpretation of spaced-receiver measurements of transionospheric radio waves // Radio Sci. -1982. -V.17. -P.845-854.

45. Pryse, S.E., L.Kersley, and C.D.Russell. Scintillation near the F layer trough over northern Europe // Radio Sci. -1991. -V.26. -P.1105-1114.120

46. Терещенко Е.Д., Н.Ю. Романова, M.O. Козлова. Сопоставление поперечной к магнитному полю анизотропии мелкомасштабных неоднородностей с моделью ионосферной конвекции // Геомагнетизм и Аэрономия. 2002. -Т.42, № 4. -С. 1-6.

47. М.О.Козлова, Е.Д.Терещенко. Статистический подход в ионосферной томографии. В коллективной монографии "Физика околоземного космического пространства", Глава 2 "Ионосферные процессы", С.248-280. -Апатиты: КНЦ РАН, 2000. - 706С.

48. Statistical tomography of subkilometer irregularities in the high latitude ionosphere. E.D.Tereshchenko, M.O.Kozlova, V.E.Kunitsyn, E.S.Andreeva // Proceedings of IES2002, Alexandria, USA, 2002. 6A5, P.l-8.