Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Структура квазиностоянного электрического поля в высокоширотной ионосфере (результаты эксперимента на ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300" и модель)

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Структура квазиностоянного электрического поля в высокоширотной ионосфере (результаты эксперимента на ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300" и модель)"

ШДШЯ-НЛУК СССР

' ИНСТИТУТ: ЗЙШОГО 1Ш?ШТГ1ША, ИОНОСФЕРЫ А РАСПРОСТРАНЕНИЙ РШОВОШ

На пропах, рукописи

Стннев Георги Антонон

СТРУКТУРА КВАЗИИОСТОЯНИОГО ЭЛЕИТРИ'ИССКОГО ПОЛЛ Л ВЦСОКСИШРОТНСЙ ИОНОСФЕРВ (результаты эксперимента на ИСЗ

"Интсркосг.юс-Болгария-ХЗОО" и г.одель)

<* кс1.д.си.цость - 04.cQ.22 - Геофизика,

Автореферат диссертации нн соискание ученой степени кандидата физлко-жтематических наук

Москва 1391 г.

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АП СССР, и в Институте космических исследований болгарской Академии наук.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Я.а.^етьдштей)

кандидат '¡шзико-матекатпчееккх наук Н.Ь.Псае»

.Официальны« оппоненты; доктор фиэико-матемотпчес.чпх наук

М.Г.Дсмииов

доктор 'фшшко-матс.,.итни,<: • ,и наук Л .11.Кропоткин

Бедущип оргапкъицы«: Институт космических кос {„¿пденпй

¿ащкта диссерчацш; состоиться -¿Г- и, ЮН Д 1У9] г. в IV час. ОФ мин. па заседании Споцп-; ¡и- . анно; о Совета Д.ССч..Ш.01 прл П31.и1Р ЛИ СССР

Дцрес: Н£0У2, Мосговская область, г. Троицк, Х..и1РЛП

С диссер';ациоЛ молю ознакомиться п бибилиотаке iiii.-4.iPAH СССР Авторе^орат рачослан "_ ЛА^Х- -Д 1991 г.

Учений секретарь ~ Специализированного Совета /

кандидат фиэ.-мат. наук О.П.КодомкПцев

ОБЩЛ ХАРЛКТЙ-ИСТШО\ ГЛБОТи" - ------------_ _

Актуальность теми. Порше эксперимента,¡ьп;;е результаты исслодовашй электрических полег; в ионосфере на епупгнкчх и ракетах, получешшз более двадцати лет назад, п» каЬа-:п важное значение этих талей, катеров они имеет во многих физических процессах, йротвкающих а околоземном космическим пространство. И одном из первых уснешнш; спутниковых экспериментов по измерению электрических ¡Юлей на спутнике "ИнжуН--5" било экспериментально уетаиовлано существование коллективного движения плазмы и ионосфере высоких вирот. й Дальнейшем било показано, что конвекция з магнитолу ";р© и ионосфере приводит к возникновении рада явлений, таких как формирование плазмопаузы, образовать главного ионосферного провала, формирование крупномасштабной структуры полярной ионосферы И Т.Д.

/и-дкдое из перечисленных явлений в ионосфере представляет собой достаточно сложную проблему и до сих пор »шляется предметом обширных исследований. Кроме тога, посредством электрических поле:! и продольных токов осуществляется электродинамическое взаимодействие л системе ионосфера - магнитосфера и, таким образом, электрическое поле является одним из ключевых параметров для решения многих задач иопоСс'ерно-маг-нитосфершх связей. Поэтому в настоящее время во всех спутниковых проектах в комплекс научной аппаратуры обязательно включается прибор для измерения электрических полей. Однако, в силу сложности проводимых измерении и обработки данных, далеко не в каждом эксперименте удается получить достаточно достоверные результаты по электрическим полям, что и определяет ограниченность и фрагментарность этих данных. Экспериментальные исследования пространственного распределения вектора электрического полл, его величины и направления в высокоширотной ионосфере в различных геофизических ситуациях.дают ключ к решению многих задач физики полярной ионосфер« и исследованию процессов в магнитосфере. Особый интерес нву.. этом в настоящее время вцзнвают процессы (в частщйи .'«^уКт» тура конвекции) при больших пвлояительных . В2 'Ф^Щ^Одн^Й'.-'

- А ~

из основных проблем физики полярной ионосферы и настоящее время является создание самосогласованной модели электрического поля адоптированной к применению эмпирических данных по распределению проводимостей и продольных токов с одной стороны, и пригодной для проведения прогностических расчетов электрических поле!! и токов в ионосфере с другой. На решение ряда задач из перечисленных вшю бил направлен эксперимент по измерению электрических полей в проекте "ИК-Болгария-1300".

Необходимость решения подобной задачи диктуется как потребностями физ:.ки по.'чриой ионосферы и ионосферно-магнитос-ферных связей, так и .юобходимостями научной проработки различных спутниковых проектов для исследования космической плазмы как в естествешых условиях, так и при проведении активных экспериментов.

Цель работы.,

1. Создание аппаратуры для прецизионных измерений трех компонентов электрического поля с точностью ДН,х •.= ЛЕу =

- - Й мы/м дчл горизонтального компонента и = - о мВ/м

для вертикального.

2. Ио^ледошм&о структуры электрического поля и конвекции плазмы и ионосфер« высоких к субаврораяышх широт.

3. Создание самосогласованной прогностической модели электрического поля, допускающей использование в качестве входных параметров реально измеряемых величин продольных токов и потоков частиц (формирующих распределение проводимости).

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Разработан, изготовлен и реализован в спутниковом проекте "Интеркосмос-Болгария-1300" измерительный комплекс приборов ИЭСП для исследования электрических полей в ионосфере с зад иной точностью» Проведен анализ влияния эффектов затенения (солнечного и. магнитного) одного из 3-х пар зондов на результаты измерений.

2. По результата?.! измерений электрических полей на спут-

Hjii-e '".:К-Болгария-13ии" исследована структура элоктричпоких......

полой .-...швкцки » высокоширотной и су<5авроршп>ной ионосфере и показано, что:

а) при смене знака Вг>0 к И2<0 система кошюкздаи расширяется на более низкие широты (на 6° - 7°) за характерное время t: = 10 — 15 мин , при обратной смене знака лосстаноп- ' ление конвекции происходит за интервал "С I час;

б) при больших положительных Иг (BZ=*.I5 - 17 nT) конвекция в полярной шапке представляет собой двух- трохьих-ревую систему с характерным масштабом ячейки I а: 1000 км.

3. Разработана аналитическая модель .электрического поля в высокоширотной ионосфере, адаптированная к реально измеряемым данным по потокам высыпающихся электронов, продольным токам и позволяющая проводить расчеты распределения электрического ноля, близкого к реальному.

Практическая значимость работы опре,ч-.пяетс.ч следуюищми факторами:

1, Прибор ИОСП может служить прототипом для измерителен электрического поля в любом спутниконом проекте по исследованию околоземного космического пространства. !3 модифицированном виде прибор ИЗСП-2 включен в состав научной аппаратуры в проекте "Интербол". Программа sky , разработанная в диссертации для проекта "ИК-Болгария-ХЗОО", татае может быть попользована для анализа данных и учета эффектов затенения,

2. Модель электрического поля, разработанная в диссертации, может быть использована для решети! ряда задач физики ионосферно-магнитосферного взаимодействия, моделирования полярной ионосферы, а также для прогностических расчетов электрических полей и токов в ионосфере пря проведении научно-технической проработки ноьых спутниковых проектов.

Защищаемые в диссертационной работе положения.

I. Прибор ИЭСП для измерений электрячешеих полей в ионосфере, успешно функционировавший в течение всего периода работы по проекту "Интеркосмос-Еолгария-1300" и обеспечивший достоверные данные измерений трех компонент.электрического поля,

а также результаты анализа и контроля эффектов затенения датчиков различных приборов (включая ИЭСП) различни-м частями корпуса спутника.

2. Результаты исследований характера поведения вектора электрического поля (конвекции) в различных геофизических ситуациях, которые показали, что:

а) характерное время реакции конвекции на обращение направления В g ¡Ш от северного к южному составляет

10 - 15 минут, п,)и' этом система конвекции сдвигается к экватору на 6°-7° , при обратной смене знака Вг время установления системы конвекции составляет l" часа ;

б) при больших положительных величинах х32 МП конвекция плазмы в полярной шапке имеет 2 - 3 -х вихревую систему с пространственным масштабом В ~ Ю00 км , причем одна из ячеек, как правило, наблюдается в области дневного полярного каспа. Направление деже ни я плазмы в этой ячейке по часовой стрелке при liy > С

и против часовой стрелки при < 0.

3. Аналитическая самосогласованная модель электрического поля в высокоширотная кенэефере, допускающая задание входных распределении провода:лостей и продольных токов близких к реально измеряемым и допускающая её использование в качестве прогности ческой.

Апробация работы, Матерпаш диссертации обсуждались на научных с ели нарах И2ЖР АН и ШШ ВАН, догадывались на советско-болгарских совещаниях по проекту "ИК-Болгария-ХЗОО" (г. Суздаль,'1983 г., г. София, 1983 г., г. Старая Затора, 1984 г.), на Ш Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи (г. Мурманск, 1984 г.), на Международном симпозиуме "Полярные геомагнитные явления" (г. Суздаль, 1386 г.), на сиштозиумахСОБРАй (г. Грац, Австрия, 1984 л., г. Тулуза, Франция, 1986 г.), на ~;есоюзном семинаре "Физика авроральных явлений (г. Апатиты, 1991 г.).

Шкйлшэдпи» Основное содержание диссертации опублико-

вано в II работах,

Структура и объем диссертации. Работа состоит иа введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 11?. страниц основного текста, Ц£ рисунков . ^ списке цитируемой литературы 1наименований„

Оодер::-:ан:?о онботи*.

Во введении обосноньшаетсн актуальность г^мн, определяются цели работа, Формулируются задачи, решаемые н дкеоортации. Также кратко излагается содержание диссертации и приводится основные положения, внносимые на заидату.

В главе Т приведено описание методов измерений электрических полей в ионосфере и магнитосфере, применяемых как в спутниковых и ракетных экспериментах, так и иепользуших на-эоушали сродстьшк. Здесь но приводится обзор результате» по исследованию электрически:: ночей и конвекции ионосферной плавки, полученных путем зоидомюс пзксоонпН ни «путанках Л р:ЖО-тах, в экспериментах с бариевыми облаками и путем л&лорений скорости дрейфа радарами когерентного и некогерентного рассеяния. В это1: глш*с такпе проведено обоуклшкю суаосту/ьшх в настоящее время эгзшрячеекпх " иодузмпкр!:ческих моделей трического нолл, цолучошшх ршмпчныг'Л и»тораш<

В главе П дано описание комплекса приборов 'ЛХИ-ИПШ, .разработанного и ('..«готовленного л рамках спутникового проекта "Интеркоомос-Болгария-ХЗОО" и предназначенного для измерения как квазипостоянных электрических подел, гак и для измерений электромагнитных воль КНЧ-УНЧ -диапазонов. Здесь же, исходя ;:з задач электромагнитных зкепершентоь и проекта в целом, обосношзается исиользоьаняс метода измерений электрического поля - метода двойного зонда Ленгмюраг приводится описать указанного метода. Приведет,: также результаты лаос-раторннх исследований свойств поверхности зондов (распределение работы выхода но поверхности зонда, отклонение от сферичности) и влияние указанных факторов на точность Измерений. Проведены оценки суммарной погрешности измерений, которая составляет для Е^ и Е„ компонент ("горизонтальных")

ДЕ^, у - л мВ/м и для вертикальной компоненты ДЕ2 = ±5мВ/м.

Глава 1:1 посвящена исследованию структуры электрических полей и конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере на основе результатов, полученных на спутнике "ИК-Волгария-1300" с помощью прибора ИМ1. Две из измеряемых компонент электрического ноля Ех и £у позволяют,в отличии от некоторых предыдущих измерений,получить вектор электрического поля, ортогональный в высоких широтах магнитному пода. Величина и направление этого вектора в каждой точке Траектории определяют структуру конвекции ионосферной плазмы. Как показано, в результате многочисленных измерений в обл .сти авроралыюго овала, вектор электрического ноля направлен к экватору в утреннем секторе и к полюсу в вечернем, что соответствует результатом предыдущих исследований. Максимальная величина электрического поля наблюдается вблизи центральной части аироральнои зоны и зависит от знака В2 ШП. В этой же главе проведено исследование распределения электрического поля на субапроралышх широтах и показано, что максимальные по величине электрические поля наблюдаются вблизи минимума плотности плазмы в главном ионосферном провале, либо вблизи его полярной стенки. Б связи с известной большой ролью межпланетного магнитного поля (в основном В- -компонент) в механизмах генерации электрического поля магнитосферной конвекции, весьма важным представляется решение задачи о реакции системы конвекции плаз;.«; ни обращение направления Вг компоненты Г.Ш. С этой целью были использованы четыре последовательных измерений на спутнике ''Ж-Болгарпя-1300" и результаты трех одновременных измереты скорости дреИфа плазмы на спутнике Д£~2 15 декабря ХУШ. г. (16.00 - 23.00 ЦТ). За указанный период времени В2 М'ЛП дважды меняло направление, В результате анализа одновременных измерений на двух спутниках определено, что при повороте В2 ШП от северного направления к шному зремя установления конвекции составляет Ъ 10 -I- 15 млн» „ за это же время происходит смещение системы конвекции к экватору на 6°-7° иыариантной широты. При обратном изменении ггиграшге-шя В 2 от шного к северному время установления составляет X £ I час» Особый интерес представляют собой динамические процессы в высокоширотной ионосфере при больших полояительных

---------------------- -- ____________

Проведенные в связи с этим исследования структуры"конвекции показали, что при В2 = 1э + & ^Т в полярной шапке реализуется 2-3 -х вихревая система конвекции резко нестациопар-ного характера,с направлением скорости конвекции определяемым знаком компоненты ГШ. Характотше поостранствекные размеры вихрен порядка 1000 кгд, напрей-'вние скорости конвекции для вихрей, расположенных в области дневного каспа,пс часовой стрелке для Я, > 0 и обратное пр:: < п.

В 1У главе диссертации приводите;- ".надитическая самосогласованная модель электрического поля ь высокоширотной ионосфере, Модель построена на основе решения уравнения Лапласа для потенциала с заданием распределения дроводагоетей з внде набора и - концентрических окружностей. изменение проводимости внутри каждой кольцевой зоны по долготе Л изменяется пропорционально ¿¿п Л . Решение, полученное аналитически, позволяет исттсльзовать роачьно измеряемое •ятутниковые дагаше по потокам частиц и продольклл токам для получения распределения электрического поля.

В заключении сформулированы основные результаты работы и даны рекомендации пс их практическому использованию.

1, Разработан, изготовлен и оеализозан >• спутниковом проекте "Интеркосмос-Болгария-IХ0" яшлерлтелышй комплекс приборов ИЭСП для исследования злектрявеских -холей в ионе.. -фзрз с заданной точностью. Проведен анализ ддияния эффектов

■ :кзшя (солнечного г магнитного) олного иа 3-х пар зоэдов "К; результаты измерений.

2. По результатам измерений элел-г^ичоских полей на спутнике "Интеркосмос-Болгария-1300" исследована структура электрических полей (конвекции) в высокоширотной ионосфере и показано, что;

а) при смене знака В - >0 к Вг <. 0 система конвекции расширяется на более низкие широтн (на 6° - ?°) за характерное время = 10-15 мин , при обратной смене знака восстановление конвекции происходит за интервал'?' I час ;

б) при больших положительных В 2 МШ (В2 ~15 * 17 hT ) конвекция в полярной шапке представляет собой 2-3 -х вихревую систему с характерным масштабом ячейки I £ 2Ю00 км.

3. Разработана аналитическая модель электрического поля ■ в высокоширотной ионосфере, адаптированная к реально измеряемым данным по потокам высыпающихся электронов, продольным токам и позволяющая проводить расчеты распредедешя электрического-ноля близкого к реальному.

Список пабот. опубликованных по томе диссертации.

1. Stanev G., Petrunova il* j Teodoaiev D., Kütiev X., Serafi— mov K., Chapkunov S., Chujyrev V., Isaev If., Puschaev P., Pimenov I. Ли instrument for DC electric field and AC-ele-ctrio and magnetic field measurements aboard "Intercoamos-Bulgaria-1500" eatellite//Adv. Space Rea,- 1983. - V. 2„

- К 7. - P. 45-47.

2. Цонев M. M., Станев Г.Л. Моделирование эффектов, связанных с влиянием магнитной солнечной теш от элементов конструкции спутника на результаты измерений электрических полей и потоков частиц//Косшчесга:е исследования. - 1988.

- Т. 26. - Вып. 4. - С. 731 - 738.

3. Тимофеев. Е.Е., Яхнин А.Г., Исаев II.В., Трушкина Ii.П., Ста-• нев Г.А., Яеллинен Р.й. Пространственные профили электрического ноля и электронной концентрации в области регистрации аврорального рассеяния радиоволн//Геомагкетизм к аэрономпя.-Х988.-т. 28.- с. 871-874.

4. Исаев Н.В.„ Яхнин Л.Г., Биличенко C.B., Чмырев B.W., Станев Г., Недлинен Р., Теодосиев Д., Колосова Т.Н., Тельцов М.В., Лазарев В.И., Тимофеев Е.Е.» ПеткоЕ Н., Трушкина SЛ., Школьникова С„И„ Сопоставление спутниковых измерений электрических и магнитных полей и потоков частиц с наземными геофизическими данными в раннем утреннем се::торе аврораль-

-ной зош//Косщжмше исследования.-19870 -т.■25.-выл. I. -с. 74-85.

5« Г&здешк Г.. ücasa H., Рубекий В., Трушкина Е., Станев Г. ¿taras® аошни^цгввакого поля на структуру глазного кокос-

форного провага//Космичоо..пе исследования» -I990.-t.28,- •—вин. ¿.-о. 23Г;-2Л2,.

Isaev II. V«, Gdalevich Gob., ÍSenkova N.P», V.Guüslty,- E.P. Trushicina , В.P. Koxlov, N, X,Smorokin, Q.stane\, D.Teodo-3ievt T.Sanardjicv. Auroral elooirlo field penetración into the middle-latitude trough//Adv. Space Res. -1987. ~v<.

-II 8. ~pe 397. Isaev И, V. s Yachnin A. G., Biliclienka S.V., Lazarsv V.I.,* Stanev G.A., Teodoaiov D.K., Petkov Jr., Tiaofoev B.B., Chaiyruv V.M» A oomporicion of satellite люаэигоик nts of alectric and magnetic fields and particle fluxeo vith ground-baaed data//Adv„ Space Rod,, -1985. -N5. -p. 1d~ -10?.

a, Isaev N.. Oaipov П., Iruahkina E., Stanev S. The struoture of plasma convection in the polar region and ita modeling . //XXVII COSPAR meeting, Espo, Pinland, July 1988, Abstracta, -с. 1. 3. 6. -p. 525.

9. luaov \',V„. Stanev 0. A. Kathercaticej nodal of the electric fiela in the nigh - Xavítudu i oncophиre//7ХЧ III'COSPAR meet! Наь'иа, Netherlands, July 19vv, Abstracts, -Ив 3P.10

ХО.У.саеи H.a. r Стднев Г.а» , Оояг.-з i!.... Электрическое поле в аксокоаиротно?- коносфере пр>" положительных В МШ

по данным измерения на ИСЗ "¡¡итеркоомос-Болгария-ХЗОО"// Болгарский гао&яз. журнал. -i-VSi. -т. 17. -й I, с ,'43-50,

И.Станеэ Г.А., Исаев Н.Б. Аналитическая модё'Ль электрического .ноля а зысскоашротно« iíohcu>v- Ч1роцринт ИЗ,»Е?АН, А 17 (964), ;.í, Е ÍU9I, С. :6о