Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование дрейфовых движений и структурных особенностей субавроральной ионосферы на основе координированных спутниковых и наземных измерений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование дрейфовых движений и структурных особенностей субавроральной ионосферы на основе координированных спутниковых и наземных измерений"

г-)

" РОССИЙСКАЯ АЯАДВШЯ НАУК СЖЙРСКОН ОТДЕШШ

КИСШГУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕКНШ ФЯЗ!Ш!

На правах рукописи

Решетников Дмитрий Дмитриевич

УДК 550. 388.2

КССЛЕДО&ШКЗ ДРИМ<ШХ дагашжя и структурных ОСОВЕИШСПШ СУВгШРОРАЛЫШ К01ЙХЙЕРЦ И 0СКС23

юордшшрсадншх спутшковых и мзшшх нзцерегсш

04.00. 22 - Геофизика

Автореферат диссертации на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 1992

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации проведено исследование дрейфовых движений плазмы области Р вблизи полярной стенки главного ионосферного провала (ГШ) и структурных особенностей субавроральной ионосферы. , В работе рассмотрены ступенчатая структура полярной стенки ГШ в утреннем секторе, узкий провал ионизации, обус- . ловленный развитием узкой струи быстрого дрейфа ионов к западу (поляризационный джет) в вечерне-полуночном секторе, морфология и динамика поляризационного джета и границы крупномасштабной конвекции на основе спутниковых и наземных измерений.

Актуальность проблемы. Как известно, основными факторами формирования структурных особенностей субавроральной ионосферы. наряду с корпускулярной ионизацией, являются динамические процессы, и прежде всего, конвекция ионосферной плазмы на этих шротах. В настоящее время не до конца выяснена планетарная картина и характерные вариации конвекции в субавроральной зоне в ходе суббури и в зависимости от других факторов. Даже столь важная ее деталь, как поляризационный дяет, являющийся ответственным за быстрое формирование узких провалов ионизации, пока не нашла отражения в используемых моделях высокоширотной ионосферы. Недостаточно исследованы вопросы проникновения электрических полей магнитосферного происхождения сквозь экранирующий альвеновский слой, соответствующему экваториальной границе диффузных вторжений малоэнергичных электронов (ГДВ). Все это связано с отсутствием надежных систематических экспериментальных данных о конвекции в субавроральной зоне с одновременной

регистрацией плазменных границ (ГДВ, экваториальная граница овала). В последние годы на суСавроральных широтах £ американском секторе действует станция некогерентного рассеяния в Милстоун-Хилле, а в Скандинавии успешно функционирует установка Е13САТ, позволяющая получать мгновенные трехмерные векторы скоростей дрейфа. Однако, доступные данные о конвекции в субавроральной зоне все еще весьма скудны, а станции некогерентного рассеяния радиоволн, расположенные непосредственно в субавроральной зоне вблизи Ь~4, отсуствуюг. В этих условиях в ходе поисковых экспериментов, а также при координированных измерениях, по нашему мнению, оправдывает себя определение направления конвекции плазмы и качественная оценка ее скорости модифицированным методом пространственно-разнесенного приема с малой базой (метод Д1) непосредственно в субавроральной гоне, несмотря на значительные трудности в точной интерпретации результатов таких наблюдений. Следует отметить, что важнейшая проблема надежных систематических и детальных измерений конвекции плазмы в субавроральной ионосфере наземными методами остается открытой и это существенно сдерживает прогресс наших знаний об этой области околоземного пространства и возможность их практического применения.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется следующим:

1. Для понимания механизма формирования структурных особенностей субавроральной ионосферы, таких как ступенчатая структура полярной стенки ГШ, узкий провал ионизации и т.д. существует необходимость в проведении комплексных экспериментов по одновременному наблюдению параметров структуры ионосферы и дрейфовых движений на этих широтах, координированных со спутниковыми измерениями.

2. Исследование структурных особенностей субавроральной ионосферы, кроме значения для понимания физики высокоширотной ионосферы, имеет и практическую ценность для уточнения методики расчета радиолиний декаметровых волн на широтах субавроральной зоны, где наиболее часты и длительны срывы КВ-радиосвязи.

Целью работы является исследование дрейфа ионизации оС-лости Р в субавроральной зоне с одновременным определением изменения структуры ионосферы на основе координированных наземных и спутниковых измерений.

Научная новизна представленных в работе результатов исследований состоит в следующем:

1. Впервые на основе измерений методом Д1 на меридиональной цепочке станций показано, что экваториальная граница диффузных вторжений, формирующая резкую полярную стенку ГИП, является текущей границей крупномасштабной конвекции в ночном секторе при умеренно-возмущенных условиях; характер дрейфовых движений на субавроральных широтах, по всей видимости, контролируется ММЪ момент наступления разворота вектора скорости дрейфа с западного на восточное в раннем вечернем секторе происходит при Бу < 0 (Вг < 0), а при условиях Ву > 0 (Вг < О) смены знака дрейфа на полярной стенке ГИП в вечерне-полуночном секторе не наблюдается.

2. На основе комплексных координированных спутниковых и наземных измерений показано, что узкий провал ионизации и соответственно, поляризационный джет располагается внутри плаз-мосферы, а высыпания частиц в области узкого провала пренебрежимо малы.

3. Впервые исследованы морфология и динамика поляризационного дзяета и экваториальной границы сильной конвекции по

разработанной автором методике определения поляризационного джета по данным вертикального (ВЗ) и наклонного обратного рассеяния (НОР) ионосферы, апробированной по координированным измерениям со спутников и ионозондов Якутской меридиональной цепочки станций.

Практическая ценность работы состоит в том, что исследование структурных особенностей субавроральной ионосферы имеет важное значение для прогнозирования условий прохождения радиоволн декаметрового диапазона на широтах субавроральной зоны, где на обширной территории Северо-Востока РФ основным видом связи является КВ-радиосвязь. Результаты работы могут быть использованы в исследованиях, ведущихся в ИКФИА, ИСЗФ, ИЗЫИРАНе, ПГИ, ИЮИР ДБНЦ, ААНИИ.

Личный вклад. Диссертантом внесена модификация метода Д1 для повышения достоверности получаемых данных о дрейфе ионосферной плазмы при его использовании на шротах субавроральной зоны. Автор является одним из основных исполнителей создания меридиональной цепочки станций (Якутск, Жиганск, Тикси) для измерения дрейфа ионизации модифицированным методом Л1. На этой цепочке станций в 1981-1984 гг. организованы и проведены при непосредственном' участии диссертанта комплексные измерения дрейфов, координированные с наблюдениями со спутника "Ореол-3" в рамках советско-французского проекта АРКАД. Автором проделан большой объем работы по обработке и анализу полученного экспериментального материала по измерению дрейфов методом Д1 и наблюдений ВЗ и ЮР ионосферы. Автор также участвовал в создании' и установке экспедиционных ионосферных станций на территории Республики САХА (Якутия): п.Жиганск (1976-1982 гг.), п. Сангар (1985 г.), о. Котельный (1985-1986 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Экспериментально (на основе измерений методом Д1 в су-бавроральной зоне) показано, что

а) полюснее полярной стенки ГИП, в вечерне-полуночном секторе в умеренно-возмущенных условиях характер дрейфа плазмы в области Г соответствует поведению электрических полей магни-тосферкой конвекции, а экваториальнее полярной стенки ГИП наблюдается резкое уменьшение модуля скорости дрейфа и западное направление в неосвещенное время суток.

б) экваториальная граница диффузных вторжений, формирующая резкую полярную стенку ГИП, является также текущей границей крупномасштабной конвекции в ночном секторе при умеренно- возмущенных условиях.

в) в утреннем секторе одним из возможных механизмов формирования гребня ионизации в ступенчатой структуре полярной стенки ГИП является меридиональный перенос ионизации с полярной стенки ГИП в условиях возмущений.

2. Предложена методика определения по данным наземного радиозондирования параметров поляризационного джета - узкой струи быстрого дрейфа ионов к западу - в неосвещенной субавро--ральной ионосфере, которая апробирована по многочисленным одновременным измерениям со спутников и наземных ионозондов Якутской меридиональной цепочки станций.

3. На основе разработанной методики изучена морфология и динамика поляризационного джета и границы крупномасштабной конвекции в послеполуденном секторе по данным сети ионосферных станций при различных геофизических условиях.

Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы в отчетах НИР и ряда хоздоговорных тем, выполненных на кафедре радиофизики и электроники ЯГУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докла-

- в -

дывались на III Всесоюзном совещании по полярной ионосфере и магнитосферно-ионосферным связям iМурманск, 1984 г.), на V Всесоюзном совещании по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1985 г.), на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990 г.), на Международном совещании по ионосферным неоднородностям (Венгрия, 1984 г.), на Международном симпозиуме КАПГ "Физические процессы в области провала в период магнитосферных возмущений" (ГДР, 1986 г.), на XIX Генеральной Ассамблее МАГА (Канада, 1987 г.), а также обсуждались на семинарах ЯКИ РАН, ИСЗФ, ИКФИА и кафедры радиофизики и электроники ЯГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Материалы диссертации использованы в двух научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации 162 страниц, она содержит 134 страниц машинописного текста, 28 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 161 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работ, сформулирована цель исследования и описаны методы ее выполнения. Приведены основные характеристики объектов исследования и показа*

но, в чем заключается новизна данной работы. Представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен обзор литературы по результатам экспериментальных исследований пространственно-временного распределения электрических полей в области F субавроральной ионосферы и теоретических исследований механиз-

ма генерации таких полей. Изложены результаты оригинальных исследований дрейфовых движений и структуры субавроральной ионосферы вблизи полярной стенки главного ионосферного провала, а также особенности дрейфовых измерений методом Д1 на высоких широтах. В результате этих исследований получено, что полярнее ГДВ характер дрейфа ионизации соответствуют поведению электрических полей магнитосферной конвекции (высокие модули скорости - до 500 м/с, направление дрейфа до полуночи на запад, в утреннем секторе - на восток), а зкваториальнее ГДВ наблюдается резкое уменьшение модуля скорости (до 100 и/с) и западное направление дрейфа в неосвещенное время суток, что соответствует механизму возмущенного ионосферного динамо. Из этого следует, что ГДВ является границей стационарной конвекции при умеренно-возмущенных условиях в ночном секторе.

В результате совместного анализа вариаций ММП и данных измерений дрейфа методом Д1 на Якутской меридианальной цепочке станций показано, что характер дрейфовых движений на субавро-ральных широтах, по вс4й видимости, контролируется ММП: момент наступления разворота вектора скорости дрейфа с западного на восточное в раннем вечернем секторе происходит при Ву < 0 (Bz < 0),а при условиях Ву > 0 (Вг < 0) не наблюдается смены знака дрейфа на полярной стенке ГИП в вечерне-полуночном секторе.

Во второй главе рассмотрены параметры узкой полосы быстрого дрейфа к западу (поляризационный джет), обусловленных интенсивными электрическими полями, направленными к полюсу. Проведен анализ существующих теоретических моделей генерации таких сильных электрических полей и их сопоставление с результатами экспериментальных измерений параметров поляризационного джета. Представлены результаты одновременных наземных и спут-

никовых измерений параметров поляризационного джета и его влияния на структуру высокоширотной ионосферы. На основе анализа результатов координированных измерений со спутника "Ореол-3" и наземными методами структуры и дрейфовых движений в субавро-ральной ионосфере в рамках советско-французского проекта АРКАД -3, а также одновременных измерений с другими спутниками показано, что в ранние вечерние часы развитие поляризационного джета приводит к быстрому образованию узких провалов ионизации в области Р и является, по видимому, основным механизмом формирования главного ионосферного провала на фоне существующей высокой ионизации. В неосвещенной ионосфере появление узкой полосы быстрого дрейфа к западу приводит к углублению ГИП вблизи полярной стенки, т.е. приводит к развитию явления "провала в провале". Узкий провал ионизации, соответственно, поляризационный дяет пространственно располагается экваториальнее полярной стенки ГИП и в области узкого провала высыпания мяг-коэнергичных частиц (0,1 и 1,8 кэВ) пренебрежимо малы.

Одновременные измерения в нижней Р - области (наземные наблюдения), в верхней Р - области ионосферы (спутник ДЕ-2) и на высотах плазмосферы (спутник ДЕ-1) над меридианом Якутской цепочки станций показали, что узкий провал ионизации, обусловленный поляризационным джетом, располагается вблизи плазмопау-зы. но внутри плазмосферы. В результате изучения временной динамики формирования профилей скорости дрейфа ионов на последовательных витках измерений спутника ДЕ-2 получено, что появление поляризационного джета связано с развитием магнитос-ферной суббури.

Третья глава посвящена результатам исследований морфологии и динамики поляризационного джета и границы крупномасштабной конвекции на основе наземных методов измерений.

- и -

Анализ профилей Ие в освещенной ионосфере, подученных на основе данных ВЗ и НОР Якутской меридиональной цепочки станций в периоды регистрации "срывов" ГоР2, показал, что в послеполуденном секторе на высотах области Г субйвроральной ионосферы могут формироваться ступенчатые профили электронной концентрации в виде широкого провала ионизации с резким экваториальным краем, пространственно соответствующий местоположению "срыва" №2, являющейся экваториальной границей широкой полосы сильной конвекции. В послеполуденном секторе экваториальная граница сильной конвекции занимает достаточно большой долготный сектор (до 130е), имеет серпообразную форму и существует длительное время (6*8 часов). В условиях отсутствия активизаций суббури и резких вариаций ИМИ граница крупномасштабной конвекции сохраняет свою форму и ионосферные станции ВЗ, приближаясь к ней по мере вращения Земли, начинают регистрировать эту структуру. В вечерне-полуденном секторе узкий провал ионизации, обусловленный поляризационным джетом, существует не более 3-х часов (по данным комплексных измерений, включая метод Д1, также показано, что явление поляризационного джета имеет характерную длительность - 2-3 часа) и имеет спиралевидную форму и пространственно расположен экваториальнее полярной стенки ГШ1 '

В заключении показана актуальность выполненной работы и перечислены следующие основные результаты:

1. Проведена модификация метода Д1 на Якутской меридиональной цепочке станций (Тикси, Жиганск, Якутск) для повышения достоверности получаемых данных о дрейфе ионизации методом Д1: а) использование цепочки как единого инструмента в изучении конвекции ионосферной плазмы на широтах 1-5,6 * 3,0; б) при-

вязка измерений метолом Д1 к текущему положению ГДВ, совпадающей с полярной стенкой ГИП; в) проведение измерений по следу на ионограмме, идентификация которого установлена, что дает возможность привязки области отражения в структурных образованиях субаврольной ионосферы (ГИП, .полярная стенка ГИП и др.).

2. Формирование узких провалов ионизации в раннем вечернем секторе на фоне высокой ионизации в субавроральной ионосфере обусловлено процессами быстрого выноса ионосферной и маг-нитосферной тепловой плазмы в полосе быстрого дрейфа к западу (поляризационный джет), а также, особенно в нижней Р-области изменениями скоростей фотохимических реакций, приводящими к быстрому исчезновению ионизации из-за диссоциативных рекоШи-национных процессов в вечернем секторе М_Т. В неосвещенной ионосфере развитие поляризационного джета приводит к углублению ГИП, т.е. к появлению явления "провала в провале".

3. По координированным измерениям со спутника "Ореол-3" показано, что в области узкого провала ионизации высыпания мягкознергичных частиц (0,1 и 1,8 кэв) не наблюдается. На это также указывают наземные ионосферные данные, по которым, установлено, что спорадические отражения от областей Е и Р ионосферы с частотой >1 МГц расположены в основном полярнее узкого провала

4. По измерениям методом Д1 получены оценки характерного времени существования явления поляризационного джета -узкой полосы быстрого дрейфа к западу. Явление поляризационного джета имеет характерную длительность (при наблюдении на одном меридиане) ^ 2-3 часа, после чего узкий провал сливается с ГИП.

5. В послеполуденном секторе на высотах области Р субавроральной ионосферы могут формироваться ступенчатые профили электронной концентрации в виде широкого провала ионизации с

резким экваториальным краем, пространственно соответствующим местоположению "срыва" ПэР2, являющегося результатом уменьшения Ые на границе широкой полосы сильной конвекции.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Югов В. А. , Филиппов Е М., Решетников Д. Д. Измерение нейтрального ветра и дрейфа плазмы Р - области высокоширотной ионосферы //Неоднородности в ионосфере. Ясутск: изд. Якутского филиала СО АН СССР. 1981. С. 72-78.

2. Филиппов В. М., Решетников Д. Д., Никитин В. И. Динамика ионосферной плазмы на широтах субавроральной зоны // Неоднородности в ионосфере. Якутск: изд. Якутского филиала СО АН СССР. 1981. С. 79-87.

3. Решетников Д. Д., Соловьев Е С., Филиппов Е М. Измерительный комплекс пространственно-разнесенного приема с малой базой (метод Д1) в Якутске, Жиганеке, Тикси //Комплексные исследования авроральной и субавроральной ионосферы. Якутск: изд. Якутского филиала СО АН СССР. 1983. С. 118-123.

4. Филиппов Е М. , Решетников Д. Д., Соловьев Е С., Степанов А. Е., Андреев Р. П. Особенности конвекции плазмы на широтах главного провала ионизации //Физические процессы в околоземной плазме. Якутск: изд. Якутского фйлиала (30 АН СССР. 1984. С. 120-126.

5. Филиппов Е Ы., Решетников Д. Д., Соловьев Е С., Андреев Р. П. Некоторые особенности дрейфа ионосферной плазмы в утреннем и вечернем секторе на субавроральных шротах // Высокоширотная ионосфера и магнитосферко-ионосферные связи. Апатиты: изд. Кольского филиала АН СССР. 1986. С. 62-67.

6. Филиппов Е М., Решетников Д. Д., Соловьев Е С., Степа-

нов А. Е., Андреев Р. И Наблюдения методом Д1 полосы субавро-рального ионного дрейфа // Комплексные исследования полярной ионосфера Апатиты: изд. Кольского филиала АН СССР. 1987. С. 45-48.

7. Решетников Д. Д., Филиппов RM., .Башев Д.Г. и др. Мэр-фология и динамика узких провалов ионизации в субавральной области F. Препринт. Якутск изд. Якутского филиала СО АН СССР. 1987. 40 с.

8. Galperin Yu. I.. Khalipov V. L., Filippov V. M., Reshetnikov D.D. Large Latitudunal Ionization Gradients in the Subauroral F Region During Rapid Drifts //Acta Geod.. Qeoph. Mont. Hung. 1987. v. 22(1-2). P. 97-106>

9. Filippov V. M., Reshetnikov D. D. , Shestakova L. V. et

\

al. Coordinated Msasurements of F-Region Plasma Convection Structures by the D1 Method at Main Trough Latitudes // Proceeding of the Internat. Syirpos. "Physical Processes in the Trough Region during Disturbances". Garzau, 1988. P. 65-72.

10. Решетников Д. Д. , Филиппов ЕIL , Степанов А. Е. и др. Комплексные исследования узких провалов ионизации наземными и спутниковыми методами //Исслед. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца - М.: Наука, 1989. Вып. 85. С. 26-33.

11. Филиппов В. Ы. , Решетников Д. Д., Халипов В. Л. и др. Комплексные измерения узких провалов ионизации в области F наземными и спутниковыми методами // Космич. исслед. 1989. Т. 27. ВЫП. 4. С. 568-584.

12. Решетников Д. Д., Филиппов В. М. , Корякин А. Г., Соловьев Е С. Структура конвекции ионосферной плазмы на еубаврораиь-ных широтах в зависимости от знака МЫЛ // Тезисы докл. XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Харьков, октябрь. 1990. С. 66.