Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальное исследование неоднородной структуры высокоширотной ионосферы Сибири

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Липко, Юрий Владимирович

Список таблиц

Список рисунков.

Список обозначений и сокращений.

Введение

1 Неоднородная структура высокоширотной ионосферы и радиофизические методы ее исследования

1.1 Высокоширотная ионосфера.

1.2 Крупномасштабная структура.

1.2.1 Главный ионосферный провал и его динамика

1.2.2 Авроральный овал и его структура.

1.2.3 Спорадические слои Е.

1.3 Среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения

1.4 Мелкомасштабная структура.

1.5 Сравнительный анализ параметров неоднородностей различных масштабов.

1.6 Влияние гидромагнитных волн на формирование тонкой структуры ионосферы

1.7 Радиофизические методы исследования неоднородной структуры ионосферы высоких широт.

1.8 Выводы.

2 Методы измерений, измерительный комплекс и система обработки данных

2.1 Измерительный комплекс.

2.1.1 Основные положения, принципы построения измерительного комплекса.

2.1.2 Структурная схема и основные технические характеристики измерительного комплекса.

2.1.3 Управление ионозондом.

2.1.4 Первичная обработка данных

2.2 Методика измерений и обработки данных разнесенного приема

2.2.1 Фазовый метод.

2.2.2 Метод Д1.

2.3 Тестирование и калибровка.

2.4 Выводы.

3 Структура и динамика ионосферных неоднородностей различных масштабов

3.1 Сравнение параметров ионосферных неоднородностей, полученных фазовым методом, методами подобных замираний и полного корреляционного анализа.

3.1.1 Сравнение результатов, полученных методами Д1: МПЗ и ПКА.

3.1.2 Сравнение результатов, полученных фазовым методом и методом Д1.

3.2 Суточный ход усредненных параметров мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ.

3.2.1 Классификация экспериментального материала

3.2.2 Методика измерений и обработки данных.

3.2.3 Суточный ход для августа-сентября (слой F2)

3.2.4 Суточный ход для апреля (слой F2)

3.2.5 Суточный ход для марта (слой F2).

3.2.6 Суточный ход для февраля (слой F2).

3.2.7 Суточный ход для параметров слоя Е-спорадичес-кого.

3.2.8 Обобщение полученных результатов.

3.3 Влияние геомагнитной активности на вариации ионосферных параметров.

3.4 Выводы.

4 Ионосферные проявления геомагнитных пульсаций

4.1 Постановка задачи. Исследуемые типы геомагнитных пульсаций.

4.2 Методика проведения эксперимента

4.3 Экспериментальные результаты

4.3.1 Вариации ионосферных параметров во время наблюдения регулярных геомагнитных пульсаций

Список таблиц

1.1 Наблюдения среднемасштабных неоднородностей в высоких широтах.

1.2 Наблюдения мелкомасштабных неоднородностей в высоких широтах.

3.1 Усредненные за месяц ионосферные параметры.

4.1 Случаи одновременной регистрации регулярных геомагнитных пульсаций Рс4-5 и вариаций доплеровского смещения частоты

4.2 Случаи одновременной регистрации иррегулярных геомагнитных пульсаций Pi2 и вариаций доплеровского смещения частоты

Список рисунков

1.1 Явления в магнитосфере и ионосфере Земли.

1.2 Полярные проекции усредненного дрейфа мелкомасштабных неоднородностей для зимы, равноденствия и лета в Норильске.

1.3 Пульсации Pi2 и соответствующие ионосферные возмущения

2.1 Структурная схема комплекса.

2.2 Диаграммы, иллюстрирующие временные соотношения в измерительном комплексе

2.3 Распределение азимутальных и зенитных углов прихода радиоволны для марта-апреля 1998 г.

2.4 Параметры ионосферных неоднородностей во время магнитных возмущений 5 марта 1995 г.

3.1 а) Зависимость модуля разности направлений, полученных МПЗ и ПК А А а = |сепка — ампз|, от степени анизотропии характеристического эллипса ex. б) Зависимость отношения скоростей перемещения, полученных МПЗ и ПК A Av — vnK& j f мпз i от степени анизотропии характеристического эллипса ех.

3.2 Распределения направлений и скоростей перемещения СМ ПИВ P(am),P(vm) и ММН P(as),P(vs).

3.3 Взаимосвязь параметров неоднородной структуры, полученных разными методами.

3.4 Положение аврорального овала (по данным Defense Meteorological Satellite Program)

3.5 Вариации усредненных параметров ионосферных неоднородностей слоя F2 в зависимости от местного времени для августа-сентября 1995 г.

3.6 Вариации усредненных параметров ионосферных неодно-родностей слоя F2 в зависимости от местного времени для апреля 1998 г.

3.7 Вариации усредненных параметров ионосферных неодно-родностей слоя F2 в зависимости от местного времени для марта 1998 г.

3.8 Вариации усредненных параметров ионосферных неодно-родностей слоя F2 в зависимости от местного времени для февраля 1996 г.

3.9 Вариации усредненных параметров ионосферных неодно-родностей спорадического слоя Е в зависимости от местного времени для марта 1998 г.

3.10 Зависимость направления вытянутости и скорости ММН от направления перемещения.

3.11 Гистограммы распределения ширины доплеровского спектра Sfd для различных сезонов.

3.12 Зависимость вариаций параметров ионосферных неодно-родностей слоя F от геомагнитной активности 21 марта 1998 г.

3.13 Зависимость усредненных параметров неоднородностей слоя F2 ионосферы от геомагнитной активности.

4.1 Регулярные геомагнитные пульсации Рс5 и вариации доплеровского сдвига частоты fd 4.03.95 г.

4.2 Временные ряды геомагнитных пульсаций и вариаций доплеровского сдвига частоты fd для случая 22.03.98 г.

4.3 Регулярные геомагнитные пульсации Рс5 и вариации доплеровского сдвига частоты fd 1.04.98 г. и 5.04.98 г.

4.4 Иррегулярные геомагнитные пульсации Pi2 и вариации доплеровского сдвига частоты fd 5.03.95 г.

4.5 Иррегулярные геомагнитные пульсации Pi2 и вариации доплеровского сдвига частоты fd 15.02.96 г. и 27.03.98 г.

4.6 Зависимость амплитуды вариаций fd от амплитуды север-южной и восточно-западной компонент регулярных геомагнитных пульсаций.

Список обозначений и сокращений

ММН мелкомасштабные неоднородности

СМ ПИВ среднемасштабные перемещающиеся ионосферные неоднородности

АГВ акустико-гравитационные волны

GPS Global Position System

ИСЗ искусственные спутники Земли

КМИС Комплексная магнито-ионосферная станция

ВИ высокоширотная ионосфера

ГИП главный ионосферный провал

КМИС комплексная магнито-ионосферная станция

ИСЗФ Институт солнечно-земной физики

РХ разрыв Харанга

HP некогерентное рассеяние fd доплеровское смещение частоты afd ширина доплеровского спектра

KB короткие волны h' кажущаяся высота отражения КВ-радиоволн

ГП геомагнитные пульсации

МГД-волны магнитогидродинамические волны

ПЭС полное электронное содержание

ВЗ вертикальное зондирование

ВЧХ высотно-частотная характеристика

АК антенный коммутатор

БАОС блок аналоговой обработки сигнала

КПП коммутатор "прием-передача"

ВЧ высокая частота

РПДУ радиопередающее устройство

РПУ радиоприемное устройство

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальное исследование неоднородной структуры высокоширотной ионосферы Сибири"

Общая характеристика работы

Тема работы

Данная работа посвящена исследованию неоднородной структуры и динамики высокоширотной ионосферы по наблюдениям в Норильске (географические широта и долгота 69.3° N и 88.2° Е, геомагнитные широта и долгота 64.2° и 160.4°, L=5.3). Высокоширотная ионосфера включает в себя неоднородности различных пространственных и временных масштабов [36, 37]. Геофизические механизмы генерации и динамики таких неоднородностей различны и связаны с особенностями высокоширотной ионосферы. В данной работе изучались мелкомасштабные неоднородности (ММН) ("время жизни" - несколько секунд, пространственные размеры - несколько сотен метров) и среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ; период - 10-50 мин, горизонтальные размеры - десятки и сотни километров) слоев Е и F ионосферы в различных геофизических условиях, их взаимосвязь с крупномасштабными неоднородностями высокоширотной ионосферы и магнитосферными процессами. Также исследовались возмущения в ионосфере промежуточного масштаба (порядка десятков и сотен секунд) во время прохождения геомагниных пульсаций.

Актуальность темы

Высокоширотная ионосфера играет важную роль в сложной динамичной системе солнечно-земных связей: "Солнце - солнечный ветер - магнитосфера - высокоширотная ионосфера - тропосфера - среднеширот-ная ионосфера" [69]. Высокоширотная ионосфера силовыми линиями геомагнитного поля связана с магнитосферой и отражает процессы, протекающие в магнитосфере. Через нее происходит перенос энергии из магнитосферы в среднеширотную ионосферу и тропосферу [16]. Кроме того высокоширотная ионосфера сама оказывает влияние на магнито-сферные процессы [135].

Исходя из этого наиболее актуальными направлениями фундаментальных исследований высокоширотных неоднородностей представляются:

1. Особенности процессов генерации и динамики ионосферных высокоширотных неоднородностей. Формирование неоднородностей высокоширотной ионосферы - сравнительно мало исследованная область физики магнитосферно-ионосферного взаимодействия [36]. До настоящего времени остается нерешенной проблема механизмов образования и локализация источников среднемасштабных акустико-гравитационных волн (АГВ) и, соответственно, среднемасштабных ПИВ [165, 161]. До сих пор ионосферных возмущения с периодами секунды-сотни секунд остается мало изученным. Подтверждением этого является организация с 2001 года в рамках Европейской Программы COST рабочей группы "WP 3.2. Effects of small-scale ionospheric irregularities, interference and noise on terrestrial communications".

2. В экспериментальном плане сопоставление изменений характеристик неоднородностей и "регулярной" ионосферы, исследование закономерностей изменения параметров неоднородностей на разных фазах суббури, взаимосвязи неоднородностей различных масштабов в Е-, F-слоях ионосферы в различных геофизических ситуациях [36].

3. Диагностика и прогноз состояния магнитосферы при различных уровнях возмущенности по параметрам ионосферных неоднородностей. Так, например, скорость дрейфа мелкомасштабных неоднородностей в авроральных электроджетах позволяет оценить электрическое поле магнитосферного происхождения.

4. Магнитосферно-ионосферные и термосферно-ионосферные взаимодействия.

5. Исследование взаимодействия между МГД-волнами и высокоширотной ионосферой. Актуальность такого исследования посредством до-плеровских измерений определяется двумя моментами: а) возможностью более "локально" наблюдать МГД-волн по их проявлениям в ионосфере [130]; б) возможностью изучение влияния МГД-волн на формирование и динамику неоднородной структуры ионосферы [198].

Практические интересы связаны с целым рядом задач:

1. Улучшение методик прогноза прохождения радиоволн и установление надежной радиосвязи. Ионосферные неоднородности высокоширотной ионосферы значительно влияют на эффективность работы радиосвязи [16].

2. Космическая навигация и спутниковые (трансионосферные) системы связи. Интенсивные ионосферные неоднородности (особенно в экваториальных и полярных областях могут) быть причиной снижения работоспособности спутниковых систем связи, систем GPS (Global Position System) .

3. Прогноз состояния ионосферной плазмы для низколетящих ИСЗ . Орбиты космических станций и многих спутников проходят на высотах F-слоя ионосферы (300-400 км). На движение таких низкоорбитальных ИСЗ оказывают влияние вариации плотности ионосферной плазмы, связанные с геофизическими факторами (например, циклом солнечной активности, геомагнитными возмущениями).

4. Разработка методик, позволяющих различать ионосферные возмущения искусственного и естественного происхождения. Структура и динамика ионосферных неоднородностей отражает природные процессы происходящие как на земной поверхности и в нижней атмосфере, так и процессы в магнитосфере, солнечном ветре. При мощных взрывах, запусках ракет и некоторых других аспектах человеческой деятельности происходит генерация ионосферных неоднородностей различных масштабов, либо существенное изменение их динамики. Поэтому важно знать "поведение" неоднородностей в естественных природных условиях, что позволит выделить факторы искусственного воздействия. Следует отметить, что в районе Норильска проходят траектории запуска космических ракет с космодрома Плисецк.

Современные дорогостоящие и высокоинформативные средства, расположенные в странах Западной Европы, Америки, Канады, позволяют регулярно проводить наблюдения ионосферы. В высоких широтах работают дигизонды [174], радары некогерентного рассеяния (Sonderstorm radar на юге Гренландии, EISCAT в северной Скандинавии [180]). В последние годы северное полушарие (за исключением диапазона долгот от 40° в.д. до 170° в.д.) доступно для высокочастотных радаров SuperDARN [140]. Активно развиваются и приспосабливаются для нужд геофизики системы трансионосферного зондирования, в том числе глобальная навигационная система GPS. Тем не менее картина структуры и динамики ионосферных неоднородностей в высоких широтах по прежнему остается неполной. Это связано не только с большой сложностью и изменчивостью высокоширотной ионосферы, но и с тем, что есть огромные "белые пятна", где систематические наблюдения тонкой структуры ионосферы не проводятся. Таким "белым пятном" является высокоширотная область России, и, в частности, северная Сибирь.

В России в настоящее время практически нет мощных инструментов и нет густой сети станций. Исследования неоднородной структуры высокоширотной ионосферы проводятся, причем нерегулярно, в немногих пунктах наблюдения (Мурманск [23], Якутск [123, 11]). В 60-70-х годах в Норильске проводились регулярные исследования мелкомасштабной структуры высокоширотной ионосферы [69]. Были получены усредненные картины движений в Е и F - областях высокоширотной ионосферы для различных сезонов года и уровней геомагнитной активности. Исследования среднемасштабных волновых неоднородностей в Норильске раннее не проводились.

Для изучения процессов, протекающих в ионосфере в этом малоисследованном регионе в 1995 г. на Норильской КМИС был смонтирован ионосферный комплекс, позволяющий исследовать мелкомасштабные неоднородности и среднемасштабные ПИВ. В настоящее время это единственный в высокоширотной области Сибири комплекс на котором возможно исследование неоднородной структуры ионосферы.

Таким образом, экспериментальные результаты, полученные на ионосферном комплексе в Норильске, приобретают особую ценность не только в связи с решением общих для физики авроральных явлений прикладных и фундаментальных задач, но и вследствии расположения Норильской КМИС в малоизученном регионе.

Цели работы

Учитывая уникальное положение Норильской КМИС, наличие на станции инструментов для наблюдения ионосферы и вариаций магнитого поля Земли, результаты проводимых ранее исследований, были сформулированы следующие цели данной работы:

1. Создание ионосферного комплекса в Норильске, способного одновременно измерять параметры как мелкомасштабных неоднородностей ионосферы, так и среднемасштабных ПИВ;

2. Изучение пространственно-временных характеристик и динамики мелкомасштабной и среднемасштабной структуры ионосферы в зависимости от типа слоя ионосферы, сезона, геомагнитной активности, местного времени. Идентификация параметров мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ относительно крупномасштабной структуры высокоширотной ионосферы;

3. Сравнение динамических параметров ионосферных неоднородностей различных масштабов, полученных одновременно, и изучение возможной взаимосвязи между такими неоднородностями;

4. Установление закономерностей поведения высокоширотной ионосферы в периоды наблюдений геомагнитных пульсаций различных типов по данным одновременной регистрации вариаций геомагнитного поля и доплеровского смещения частоты в диапазоне геомагнитных пульсаций.

Научная новизна исследования

1. Создан цифровой ионосферный комплекс для изучения неоднородной структуры высокоширотной ионосферы. Создана база данных, включающая в себя 300 часов наблюдений неоднородной структуры высокоширотной ионосферы.

2. Впервые одновременно получены динамические параметры мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ. Показано, что направления перемещения и скорости неоднородностей различных масштабов не совпадают, что говорит о различных механизмах генерации и динамики таких неоднородностей.

3. Впервые на высокоширотной станции Норильск с использованием фазовых методов обработки отраженного от ионосферы радиосигнала, были получены динамические параметры среднемасштабных ПИВ в зависимости от типа слоя, сезона, геомагнитной активности, местного времени.

4. Впервые для высокоширотной зоны Сибири была проведена серия экспериментов по одновременной регистрации геомагнитных пульсаций и вариаций доплеровского сдвига частоты отраженного от ионосферы радиосигнала.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, описанных в диссертации, основывается на физическом обосновании предложенных методов, их проверке численным моделированием и в экспериментах. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованных ранее другими авторами. Экспериментальные результаты были получены на большом статистическом материале, что позволило с достаточной степенью надежности выделить наиболее типичные закономерности и связи рассматриваемых явлений.

Практическая ценность работы

Выводы работы могут быть использованы:

1. для улучшения методик прогноза распространения радиоволн;

2. для изучения генерации и динамики неоднородностей различных масштабов и их взаимосвязи;

3. для исследования механизмов взаимодействия гидромагнитных волн магнитосферного происхождения и высокоширотной ионосферы;

Личный вклад автора

Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в:

1. постановке основных задач данной работы;

2. созданиии и монтаже на Норильской КМИС цифрового ионосферного комплекса;

3. создании и доработке программ обработки ионосферных данных;

4. планировании и проведении серии экспериментов в марте;

5. анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Iternational Conference on Problems of Geo cosmos (С.-Петербург, 1996); XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (С.-Петербург, 1996); Международной конференции, посвященной 50-летию ионосферных исследований в Иркутске (Иркутск, 1998); Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2000); VIII Joint International Symposium "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics." (Irkutsk, 2001); COSPAR colloqium "Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Enviroment (Beijing, Chine, 2001); Всероссийской конференции по солнечно-земным связям (Иркутск, 2001), семинарах кафедры радиофизики физического фаультета ИГУ и кафедры радиоэлектроники ИрГТУ, а также на семинарах отделов физики верхней и средней атмосферы и распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создание ионосферного комплекса позволяющего одновременно определять параметры мелкомасштабных неоднородностей (ММН) методом Д1 и среднемасштабных ПИВ (СМ ПИВ) фазовым методом;

2. Результаты эксперимента по одновременной регистрации динамических параметров ММН и СМ ПИВ. Мелкомасштабные неоднородности и среднемасштабные ПИВ движутся в разных направлениях и с разными скоростями. Среднемасштабные ПИВ движутся, в основном, в южном направлении со скоростями 40-100 м/с. Преимущественное направление движения мелкомасштабных неоднородностей - восточное и западное, скорости лежат в диапазоне от 100 до 200 м/с.

3. Статистические характеристики параметров ионосферных неоднородностей слоев F2 и Es в течении суток в зависимости от сезона и геомагнитной активности. При переходе от летнего сезона к зимнему происходят следующие изменения параметров ионосферы: увеличение диффузности отражающего слоя, увеличение скорости перемещения как ММН, так и СМ ПИВ. Авроральная активность значительно влияет на амплитуду доплеровского смещения частоты, ширину доплеровского спектра,скорости и направления перемещения ММН и СМ ПИВ.

4. Экспериментальные результаты наблюдения ионосферного отклика геомагнитных пульсаций. Гидромагнитные волны, диапазона регулярных пульсаций Рс4-5, взаимодействуя со слоем F2 ионосферы, вносят основной вклад в короткопериодные возмущения ионосферы, что проявляется в вариациях доплеровского смещения частоты fd■

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 216 ссылок. Общий объем диссертации — 164 страницы, включая 5 таблиц и 26 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Липко, Юрий Владимирович

4.5 Выводы

В результате проведения эксперимента проанализировано около 30 случаев одновременной регистрации вариаций fd и геомагнитных пульсаций: 7 случаев одновременной регистрации регулярных пульсаций Рс4-5 и вариаций fd] 20 случаев регистрации иррегулярных пульсаций Pi2 и вариаций fd•

Выявлены следующие основные экспериментальные закономерности:

1. Наличие хорошей корреляции между регулярными геомагнитными пульсациями Рс4-5 и вариациями доплеровского смещения частоты fd радиосигнала, отраженного от слоя F2 ионосферы.

2. Резкое усиление спектральной составляющей вариаций fd на частоте, совпадающей с частотой колебаний Рс4-5, во время наблюдения Рс4-5. При этом максимумы на других частотах практически отсутствуют.

3. Отсутствие корреляции между иррегулярными геомагнитными пуль сациями Pi2 и вариациями доплеровского смещения частоты радиосигнала, отраженного от спорадического слоя Е авроральной ионосферы.

4. В ряде случаев во время наблюдения Pi2 обнаружено усиление ко-роткопериодных составляющих спектра вариаций fd и совпадение основных максимумов на графиках спектральной плотности вариаций fd и Pi2.

На основании этих основных результатов сделаны выводы:

Гидромагнитные волны диапазона регулярных пульсаций Рс4-5, взаимодействуя со слоем F2 ионосферы, вносят основной вклад в корот-копериодные возмущения ионосферы, что проявляется в вариациях доплеровского смещения частоты fd. Возможный механизм - вариации электронной концентрации, связанные с прохождением гидромагнитной волны в ионосфере.

Существует несомненная взаимосвязь между вариациями fd радиосигнала, отраженного от спорадического слоя Е, и иррегулярными пульсациями Pi2, но по ряду причин она прослеживается слабо.