Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование глобальных изменений в распределении электронной концентрации в области высокоширотной ионосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование глобальных изменений в распределении электронной концентрации в области высокоширотной ионосферы"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ КОШММЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И АЭРОНОМИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИИ В РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ОБЛАСТИ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ргз Од

На правах рукописи

ШЕСТАКОВА Любовь Васильевна

УДК 550.388.2

Якутск - 1998

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, профессор Гальперин Ю.И., кандидат физико-математических наук, с.н.с. Афонин В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Пономарев Е.А. кандидат физико-математических наук, доцент Соловьев Т.Н.

Ведущая организация: Институт земного магнетизма и

распространения радиоволн РАН

Защита диссертации состоится " Ж ■ ¿Хир-С ил 1998 г. в *0

часов на заседании Диссертационного Совета

K200.40.0l в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН по адресу: 677891, г.Якутск, пр.Ленина, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКФИА СО РАН.

•&0»

Автореферат разослан "ОСЛУ" л^спр^п 1998 г. Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук [шй Л.П.Шадрина

Общая характеристика работы.

В диссертации представлены результаты исследования распределения электронной концентрации в области высокоширотной ионосферы по спутниковым измерениям и по. данным цепочки ионозондов вдоль Якутского меридиана.

Актуальность темы.

Интерес к исследованию высокоширотнолй авроральной ионосферы заключается в том, что эта область наибольшим образом отрагкает магнитосферно-ионосферное взаимодействие и содержит такие структуры как главный ионосферный провал (ГИЛ), поляризационный джет, касп, дневные провалы и т.д. Несмотря на то, что в настоящее время изучению этих структур посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов нельзя считать вопрос исследования высокоширотной ионосферы закрытым. С помощью спутников, имеющих удовлетворительную частоту измерений, и стационарных наземных станций зондирования ионосферы с многолетним непрерывным рядом данных предоставляется большая возможность более углубленного исследования пространственно-временных характеристик выше упомянутых структур, В практическом сь- юле этот вопрос тесно связан с освоением большого региона Крайнего Севера нашей страны, где прежде всего необходима надежная, устойчивая радиосвязь между отдаленными друг от друга пунктами временного и постоянного проживания людей, и для слежения за самолетной навигацией в условиях Арктики и Антарктики. Потому исследование поведения глобальных структур высокоширотной ионосферы является актуальным и в настоящее время.

Цель диссертационной работы состоит в следующем:

Исследование с помощью спутниковых.и;-наземных" измерений характеристик плазмы.высокоширотной ионосферы, • а именно: долготных

особенностей, эффекта ММП в положении главного ионосферного провала в северном и южном полушариях, проявления дневного провала ионизации , определения местоположения дневного полярного каспа, построение для Северо-Восточного региона страны эмпирической модели распределения критических частот слоев Е и Р субавроральной ионосферы.

Научная новизна.

Впервые для Северо-Восточного региона страны по 11-летнему солнечному циклу создана эмпирическая модель значения критических частот слоев Е и Г ионосферы.

По большому массиву данных измерений концентрации электронов на борту спутника "Космос-900" дано морфологическое описание дневных провалов: положение минимума дневных провалов в зависимости от сезона и условий магнитного возмущения.

Также при использовании этих данных исследованы долготные особенности вариаций минимума главного ионосферного провала в южном и северном полушариях для зимних условий как в освещенное, так и в неосвещенное время суток, а также зависимость положения этого минимума при тех же условиях от изменения азимутальной и горизонтальной составляющих межпланетного магнитного поля (ММП).

По данным измерений со спутников электронной температуры и сопоставления их с данными одновременных измерений характеристик вторгающихся электронов установлены характерные проявления дневного полярного каспа, которые могут быть использованы для мониторинга в интересах краткосрочного прогноза "космической погоды".

На защиту выносится следующее:

1. Создание региональной эмпирической модели распределения критических частот ионосферных слоев ¥2 и Е в зависимости от ши-

роты, местного времени, сезона и уровня солнечной активности.

2. Проявление дневного высокоширотного провала электронной концентрации во всех сезонах года и зависимость его положения от условий возмущенности по данным спутника "Космос-900".

3. Определение зависимости положения главного ионосферного провала от В2 и Ву-составляющих ММП в северном и южном полушариях как в ночном, так и в послеполуденном секторах по данным спутника "Космос-900".

4. Определение области дневного полярного каспа и возможности его мониторинга по наземным данным при помощи высокоширотного ионозонда.

Научная и практическая ценность.

1. Предложенная эмпирическая модель распределения критических частот слоев Е и Р уже нашла свое применение в задачах по прогнозированию самолетной радиосвязи в КВ-диапазоне в условиях Крайнего Севера и Дальнего Востока.

2. По экспериментальным данным спутника "Космос-900" более подробно исследованы характеристики и динамика таких высокоширотных ионосферных структур, как дневной провал, дневной полярный касп/клефт, и показана возможность их мониторинга с помощью наземных ионозондов.

3. Показано, что широтное положение главного ионосферного провала, меняется в зависимости от ММП по разному в северном и южном полушариях и дано объяснение этого различия.

Личный вклад автора.

Автор работы самостоятельно занималась разработкой региональной эмпирической модели критических слоев Е и Р, проводила все теоретические расчеты, необходимые для выполнения диссертаци-

онной темы, а также принимала непосредственное участие в создании банка данных по измерениям концентрации ионов и температуры электронов на борту спутника "Космос-900" , в обобщении экспериментальных данных и в научном анализе всех результатов диссертации.

Апробация работы.

Научные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на научных семинарах Института космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения РАН, на Международном семинаре по высокоширотной ионосфере в ГДР (Гарцау, 1987), на симпозиуме КАПГ (Самарканд, 1988), на международном симпозиуме СОБРА!? вЛАнглии (Бермингем, 1996), на IV Русском семинаре (НИ®,Москва,1996).

Краткое содержание работы

Во введении кратко показана актуальность работы, описана научная новизна и практическая ценность работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано подробное описание цепочки ионосферных станций, расположенных вдоль Якутского меридиана, и преимущество многолетней работы такого наземного комплекса для измерения и исследования структуры высокоширотной ионосферы. Здесь же приведено описание характеристик орбиты спутника ."Космос-900", на борту которого были проведены измерения характеристик плазмы в течение почти трех лет. Созданная база данных измерений тепловой плазмы с этого спутника легла в основу научного анализа представленной работы. Кроме того приведены характеристики орбиты спутника "Интеркосмос-19" и параметры работы ионосферного ионозонда, установленного на борту этого спутника. Ионограммы, полученные с помощью данного «ионозонда использованы для построения высот- 6 -

но-частотных характеристик вдоль всей толщи ионосферы в регионе Якутии.

Во второй главе приведена региональная эмпирическая модель распределения критических частот слоев Е и Г ионосферы, построенная по большому непрерывному ряду измерений ионосферных параметров на Якутской меридиональной цепочке станций ионосферного зондирования. В этой же главе одна из подглав посвящена исследованию вертикального распределения электронной концентрации путем сопоставления данных Якутской цепочки ионозондов и синхронных данных зондирования верхней ионосферы со спутника "Интеркосмос-19" над цепочкой. Там же дано морфологическое описание наличия дневных провалов ионизации в разных сезонах года, зависимость положения этого дневного провала от уровня геомагнитной активности.

В результате проведенных исследований, описанных в этой главе, сформулированы следующие выводы:

1. На базе 11-летнего цикла измерений ГоР2 с помощью наземных ионозондов для невозмущенных условий создана эмпирическая модель распределения критических частот слоев Г2 и Е в зависимости от широты, местного времени, сезона и уровня солнечной активности. Модель может быть рекомендована для прогноза условий распространения КВ-радиоволн в Северо-Восточном регионе страны.

2. По проведенным сопоставлениям высотных профилей электронной концентрации для Якутского региона, полученных по измерениям ИСЗ "Интеркосмос-19" -профиль внешней ионосферы) и на наземных ионосферных станциях Якутск-Жиганск-Тикси в период высокой солнечной активности (1979-80г.) выявлено, что стыковка верхнего и нижнего М(Ь)-профилей наиболее удовлетворительна в летний период. Результирующие N(Ь)-профили дают хорошее согласие

с общепланетарной моделью IRI для летнего периода. Для зимних условий при наличии ГИП на широтах Якутского региона такая стыковка была невозможна, поскольку наличие ГИП дает большую диффузность на ионограммах спутника "Интеркосмос-19" и делает их трудно интерпретируемыми.

3. По данным спутника "Космос-900" выявлена устойчивая структура дневного ионосферного провала в F-области, а именно:

а) дневной провал наблюдается во всех сезонах года;

б)широтный размер дневных провалов колеблется от 1 до 2.5 градусов;

в)инвариантная широта минимума дневного провала колеблется от 75 градусов в спокойных условиях до 70 в возмущенных.

В третьей главе по измерениям электронной концентрации на борту спутника "Космос-900" приведены исследования долготных особенностей главного ионосферного провала и влияния вертикальной и азимутальной составляющей ММП на положение провалов ионизации в высокоширотной ионосфере как в северном, так и в южном полушариях.

В результате исследования зависимости вариаций положения главного ионосферного провала от долготы и параметров ММП в северном и южном полушариях в этой главе получено следующее:

1.' Показано, что долготные вариации положения провала в разных полушариях различны. В северном полушарии они имеют форму целой волны ( 180° ) с' полуамплитудой 4-6° по широте как в дневном, так и в ночном секторах; в южном "нолушарии одноволновая форма (360°) с амплитудой ~ 6° ночью и 10-12° днем.

2. Положение провала зависит от направления В2 ММП. Зависимость одинакова для обоих полушарий и более выражена для Ву<0 в

северном полушарии и для Ву>0 в южном полушарии. В ночном секторе также как и в дневном, провал смещается к полюсу на ~ 0.7° при увеличении В2 на 1нТ.

3. Влияние азимутальной составляющей ММП на положение провала наиболее выражено) когда имеется северная составляющая ММП (В2>0). Эффект в разных полушариях местной зимой не одинаков. Провал смещается к полюсу (экватору) при Ву<0 (Ву>0) в северном полушарии и при Ву>0 (Ву<0) в южном полушарии. Таким образом, обе составляющие ММП как' вертикальная, так и азимутальная влияют на смещение провала в одном и том же направлении в южном полушарии ( июньское солнцестояние ) , но в противоположном направлении в северном полушарии (декабрьское солнцестояние).

4. Эти полученные результаты показывают на необходимость корректировки существующих моделей по динамике провала. Установленные вариации положения провала от долготы и параметров ММП сравнимы с дневными вариациями и с влиянием геомагнитной активности.

В четвертой главе по данным спутниковых измерений электронной температуры, спектра вторгающихся электронов и сопоставления их с одновременным зондированием ионосферы описана возможность установления проявления дневного полярного каспа ("автографа") по характерным следам на ионограммах высокоширотной станции наклонного зондирования.

В последнее время большой интерес среди исследователей вызывает дневной полярный касп и идентификация его положения с помощью имеющихся в наличии наземных экспериментальных установок. Это важно для текущего контроля состояния магнитосферы и краткосрочного прогноза так называемой "космической погоды"-. Наклонные

отражения возникают на резких широтных градиентах электронной концентрации N6 вблизи полярной стенки главного ионосферного провала и на экваториальной границе дневного каспа. Таким образом возникает возможность дистанционной локализации ионосферной структуры , обусловленной вторжением в ионосферу энергичных частиц магнитослоя и связанных с каспом структур продольного тока и конвекции плазмы. Эти результаты в принципе позволяют создать систему ионосферного зондирования для мониторинга положения каспа как элемента системы прогноза "космической погоды".

Основные выводы данной главы состоят в следующем:

1. По измерениям тепловой плазмы в ионосфере со спутника К-900 и вторгающихся электронов дневного каспа со спутников ЮМЗР установлены характерные полярные пики в широтном распределении Ие и Те протяженностью около 2-х градусов, которые являются ионосферным "автографом" дневного полярного каспа/клефта.

2. Используя ионозонд, расположенный на широте 1ЬАТ=65 градусов и оснащенный горизонтальной ромбической антенной для наклонного зондирования, можно проводить систематический мониторинг области дневного полярного каспа/клефта с территории нашей страны в интересах краткосрочного прогноза "космической погоды".

3. Показано, что минимумы электронной концентрации дневного провала локализованы на 2-4 градуса экваториальнее каспа. Структура дневного провала в секторе 16.00 НО примыкает к главному ионосферному провалу.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. На базе 11-летнего цикла измерений электронной концентрации для невозмущенных условий создана эмпирическая модель распре- 10 -

деления критических частот слоев Р2 и Е в зависимости от широты, местного времени, сезона и уровня солнечной активности.

2. По данным "Космос-900" выявлено устойчивое проявление дневного провала во всех сезонах года; его широтный размер лежит в пределах от 1 до 2.5 градусов, а его положение зависит от уровня геомагнитной возмущенности.

3. По данным спутника "Космос-900" выявлена и объяснена зависимость положения главного ионосферного провала от В2-составля-ющей КМ. Эта зависимость одинакова в обоих полушариях и лучше выражена при азимутальной составляющей Ву<0 в северном и при Ву>0 в южном полушариях. Ионосферный провал как в ночном, так и в послеполуденном секторах перемещается на 0.7 градуса на единицу Вг.

4. Влияние азимутальной составляющей Ву ММП на положение провала наиболее четко выражено при северной компоненте ММП (Вг>0). В отличие от эффекта Вг-составляющей оно различно в разных полушариях. Провал смещается к полюсу (экватору) при Ву<0 (Ву>0) в северном и при Ву>0 (Ву<0) в южном полушариях.. То есть, обе компоненты ММП (и вертикальная, и азимутальная) действуют на провал в одном налравлении в южном полушарии и в противофазе в северном.

5. По измерениям тепловой плазмы в ионосфере со спутника" "Космос-900" и вторгающихся электронов дневного каспа со спутников ЮМБР установлено, что:

а) проявлением дневного полярного каспа в ионосфере являются характерные полярные пики в широтном распределении концентрации электронов Не и температуры электронов /Те' протяженностью около 2-х градусов;

б) используя наземный ионозонд, расположенный на широте

ILAT=65 градусов (например, с территории Якутии) и оснащенный горизонтальной ромбической антенной для наклонного зондирования, можно регистрировать положение каспа, что позволяет проводить систематический мониторинг области дневного полярного каспа/клеф-та;

в) дневные минимумы электронной концентрации локализованы на 2-4 градуса экваториальнее каспа и структура дневного провала около 16.00 MLT примыкает к главному ионосферному провалу.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах-.

1. Зикрач Э.К., Мамруков А.П., Филиппов Л.Д., Халипов В.Л., Шестакова Л.В. N(D)-профили по ионограммам ВЗ и ВНЗ и их интерпретация. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М. Наука, 1982, вып.59, с.44-47.

2. Филиппов В.М., Шестакова Л.В. Гальперин Ю.И., Полоса быстрого дрейфа ионов в субавроральной F-области и ее проявление в структуре высокоширотной ионосферы. // Космические исследования, 1984, т.XXII, N 4, с.557-564.

3. BenkovaN.P., Fedjakina N. I., Zikrach E.K., Schestakova L.V., Strod N.S. Post-storm variations of the ELF-VLF emissions and ionospheric parameters. // Phys. Solariterr., Potsdam, 1984, v.24.

4. Мамруков А.П., Шестакова Л.В., Зикрич З.К., Строд Н.С., Филиппов Л.Д. Эмпирическая модель распределение ионизации в Е- и F-слоях на широтах главного провала. В кн.: Геофизические исследования на.широтах авроральной зоны. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1986, с.67-74.

5. Афонин В.В., Беспрозванная A.C., Бенькова Н.П., Зикрач

Э.К., Мамруков А.П., Строд Н.С., Шестакова Л.В. Влияние ММП на положение дневного каспа. // Ионосферные проявления солнечного ветра. Прага, 1988.

6. Бенькова Н.П. .. Зикрач Э.К., Коченова Н.А., Кушнеревский М.Д., Мамруков А.П., Строд Н.С., Флигель М.Д., Шестакова Л.В. Вертикальное распределение электронной концентрации в Якутском регионе. // Препринт N11(765), Москва, ИЗМИРАНД988, 12 с.

7. Афонин В.В., Беспрозванная A.C., Бенькова Н.П., Зикрач Э.К., Мамруков А.П., Строд Н.С., Шестакова Л.В., Щука Т.И. Влияние ММП на дневной провал по данным ИСЗ "Космос-900" // Геомагнетизм и аэрономия, 1989, т.XXIX, с.865-867.

8. Афонин В.В., Бенькова Н.П., Зикрач Э.К., Шестакова Л.В., Мамруков A.n., Строд Н.С. Долготные проявления главного ионосферного провала по данным ИСЗ "Космос-900" // Геомагнетизм и аэрономия, 1988, N2, с.311-313.

9. Беспрозванная A.C., Бенькова Н.П., Зикрач Э.К., Шестакова Л.В., Щука Т.И., Козлов Е.Ф., Саморокин Н.И., Афонин В.В. Влияние ММП на динамику главного ионосферного провала в ночные и дневные часы. // Геофизические явления на авроральных широтах. Сб.научных трудов. Якутск: ЯНЦ СО АН СССР,1990, с.53-58.

10. Голиков И.А., Зикрач Э.К., Шестакова Л.В. Суточные изменения широтных профилей электронной концентрации в субавроральной ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия, 1990, т.30 с.678-679.

11.Afonin V.V., Benkova N.P., Besprozvannay A.S., Shchuka T.I., Zikrach E.K., Schestakova L.V. The Ionospheric trough dynamics in the northen and southern hemispheres;the longitudinal and IMF effects. // J.of Atm. and Terr.Phys., 1995, v.57, N 9,

pp. 1057-1062.

12.Афонин B.B., Деминов М.Г., Карпачев А.Т., Бенькова Н.П., Беспрозванная A.C., Шестакова Л.В., Шмилауэр Я.,Щука Т.И. Долготные вариации положения главного ионосферного провала в условиях зимней ночи по данным спутников "Космос-900" и "Интеркосмос-19" // Геомагнетизм и аэрономия, 1992, т.34, N 2, с.75-78.

13.Шестакова Л.В., Афонин В.В., Халипов В.Л., Степанов А.Е., Зикрач Э.К. Особенности высокоширотной ионосферы в полуденные часы во время возмущения 29 августа 1979 г. // Геомагнетизм и аэрономия, 1997 (сдана в печать)

14.Shestakova L.V., Stepanov А.Е., Khalipov V.L., Mam-rukov A.P., Filippov L.D., Zikrach E.K., Afonin V.V. High-latitude ionosphere structure in dayside sector on ground-based and satellite measurements // Adv. Space Res.,Vol.20, No.3, pp.415-418, 1997.

Соискатель диссертационной работы

Л.В.Шестакова

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Шестакова, Любовь Васильевна, Якутск

/

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ЯКУТСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ Институт космофизических исследований и аэрономии

На правах рукописи

/

> ¿г

ШЕСТАКОВА Любовь Васильевна чУ

УДК 550.388

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ В ОБЛАСТИ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ

04-00.23 - Физика атмосферы и гидросферы Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научные руководители -

д.ф.-м.н., проф. Гальперин Ю.И.

к.ф.-м.н. Афонин В.В.

Якутск, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 4

1. Аппаратура и методика измерений........................ 8

1.1. Якутская меридиональная цепочка ионозондов как инструмент измерений структуры высокоширотной ионосферы......................................... 8

1.2. Описание методики измерений параметров ионосферы с помощью спутников "Космос-900" и "Интеркосмос-19". и

2. Исследования поведения ионосферы в Якутском регионе и

морфология дневных провалов ионизации в высокоширотной

Г-области.............................................. 17

2.1. Эмпирическая модель распределения критической частоты ионосферных слоев Е и Г на широтах главного ионосферного провала в Северо-Восточном регионе... 17

2.2. Вертикальное распределение электронной концентрации в Якутском регионе по данным Якутской цепочки ионозондов и ИСЗ "Интеркосмос-19" ................ 30

2.3. Дневные провалы в широтном ходе электронной концентрации в Г-области ионосферы по спутниковым

и наземным данным................................. 46

2.4. Выводы............................................ 60

3. Динамика ионосферного провала в Р-области в северном

и южном полушариях и эффекты межпланетного магнитного

поля...............I................................... 62

3.1. Описание используемых экспериментальных данных____ 63

3.2. Долготные особенности главного ионосферного провала.......................................... 74

3.3. Влияние ММП на динамику ГИП в северном и южном полушариях....................................... 78

3.4. Выводы............................................ 84

4. Структура ионосферы на широтах дневного полярного каспа 86 4.1. Экспериментальные данные о распределении тепловой

и энергичной плазмы в дневном полярном каспе...... 86

4.2 Спутниковые измерения электронной плотности, температуры и вторгающихся частиц в дневном секторе авроральной зоны................................... 88

4.3 Наземные и спутниковые измерения параметров ионосферы

в области дневного полярного каспа..................97

4.4 Сопоставление спутниковых и наземных данных по большой статистике измерений........................ 101

4.5. Выводы............................................. 105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 109

ЛИТЕРАТУРА................................................ 111

ВВЕДЕНИЕ

В последних теоретических и экспериментальных исследованиях физики высокоширотной ионосферы не пропадает интерес к изучению устойчивых структур в распределении ионосферной плазмы, так как эта область имеет наибольший отклик на магнитосферно-ионосферное взаимодействие и содержит такие динамичные структуры как главный ионосферный провал (ГИЛ), поляризационный джет, каоп} дневные провалы и т.д., которые непосредственно связаны с процессами в магнитосфере. Изучение высокоширотной ионосферы тесно сопряжено с освоением большого региона Крайнего Севера нашей страны, где прежде всего необходима надежная, устойчивая радиосвязь между отдаленными друг от друга пунктами временного и постоянного проживания людей, и для слежения за самолетной навигацией в сложных условиях Арктики и Антарктики. С помощью спутников, имеющих удовлетворительную частоту измерений, и стационарных. наземных станций зондирования ионосферы с многолетним непрерывным рядом данных предоставляется большая возможность более углубленного исследования пространственно-временных характеристик вышеупомянутых структур, наличие которых создает сильные помехи в радиосвязи. Поэтому исследование поведения глобальных структур высокоширотной ионосферы является актуальным и в настоящее время.

В главе 1 дается описание аппаратуры и методики измерений как вдоль Якутской цепочки ионозондов, так и для измерений параметров ионосферной плазмы на борту спутников "Космос-900" и "Интеркосмос-19".

Для проверки адекватности ионосферных моделей необходим анализ больших объемов экспериментальных данных. В этом свете про-

фессором Еёньковой Н.П. [44-473 были организованы экспериментальные исследования вертикальных профилей распределения электронной концентрации во всей толще ионосферы в равных регионах Земли, в том числе и в Якутии [433. Автор диссертации принимала активное участие в этих исследованиях, особенно в той части, которая касалась Якутского региона. Эти работы нашли отражение в данной диссертации.

В главе 2 настоящей работы приведена региональная эмпирическая модель распределения критических частот слоев Е и V ионосферы, построенная по большому непрерывному ряду измерений ионосферных параметров на Якутской меридиональной цепочке станций зондирования. В этой же главе один из разделов посвящен исследованию вертикального распределения электронной концентрации путем сопоставления данных Якутской цепочки ионозондов и одновременных измерений путем зондирования верхней ионосферы со спутника "Интеркосмос- 19". Там же дано морфологическое описание наличия дневных провалов ионизации в разных сезонах года, зависимость положения этого дневного провала от уровня геомагнитной активности.

Среди исследователей высокоширотной ионосферы все еще опорным остается вопрос о природе высокоширотного дневного провала, о его пространственно-временных характеристиках, зависимости от уровня геомагнитной активности.

Несмотря на то,что множество работ [68-71] посвящено изучению главного ионосферного провала, благодаря большому объему детальной спутниковой информации по измерениям параметров внешней ионосферы , у нас появилась возможность более детально рассмотреть долготный эффект и влияние ММП на положение главного ионосферного провала в южном и северном полушариях.

- б -

В главе 3 по измерениям электронной концентрации на борту спутника "Космос-900" приведены исследования долготных особенностей главного ионосферного провала, которые в дальнейшем были продолжены и развиты в работах группы Института земного магнетизма и распространения радиоволн РАН [36,373. В этой же главе приведено исследование влияния вертикальной и азимутальной составляющей ММП на положение провалов ионизации в высокоширотной ионосфере как в северном, так и в южном полушариях. Основные результаты по этой главе в соавторстве опубликованы в работах [16,54-56,72,73].

В последнее время большой интерес среди исследователей вызывает дневной полярный касп и идентификация его положения с помощью имеющихся в наличии наземных экспериментальных установок. Это важно для текущего контроля состояния магнитосферы и краткосрочного прогноза так называемой "космической погоды". Методика локализации крупномасштабных неоднородных структур высокоширотной ионосферы по данным наземных ионозондов достаточно подробно описана в [8,9,20]. Наклонные отражения возникают на резких широтных градиентах электронной концентрации Ме вблизи полярной стенки главного ионосферного провала и на экваториальной границе дневного каспа. Таким образом возникает возможность дистанционной локализации ионосферной структуры , обусловленной вторжением в ионосферу энергичных частиц магнитослоя и связанных с каспом структур продольного тока и конвекции плазмы. Однако, форма "автографа" каспа в ионосфере и соответствующего отклика в наклонном зондировании оставалась неизвестной.

В главе 4 по данным спутниковых измерений электронной температуры, спектра вторгающихся электронов и сопоставления их с данными одновременного зондирования ионосферы описаны примеры прояв-

ления эффектов дневного полярного каспа в характерных следах на монограммах высокоширотной ионосферной станции. Эти результаты в принципе позволяют создать систему ионосферного зондирования для мониторинга положения каспа как элемента системы прогноза "космической погоды".

В данной диссертационной работе на защиту выносится следующее:

1. Создание региональной эмпирической модели распределения критических частот ионосферных слоев ?2 и Е в зависимости от широты 3 местного времени, сезона и уровня солнечной активности.

2. Проявление дневного высокоширотного провала электронной концентрации во всех сезонах года и зависимость его положения от условий возмущенности по данным спутника "Космос-900".

3. Определение зависимости положения главного ионосферного провала от В2 и Ву-составляющих ММП в северном и южном полушариях как в ночном, так и в послеполуденном секторах по данным спутника "Космос-900".

4. Определение области дневного полярного каспа и возможности его мониторинга по наземным данным при помощи высокоширотного ионозонда.

1. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для получения результатов по поставленной перед диссертантом задачи в данной работе б качестве экспериментального инструмента были привлечены многолетние измерения параметров ионосферы, полученные на цепочке ионосферных станций вдоль Якутского меридиана и использованы измерения ионной концентрации и электронной температуры на высоте спутника "Космос-900" а также данные ионосферного зондирования со спутника "Интеркосмос-19" (ИК-19), в обработке и анализе которых диссертант принимала активное участие.

В этой главе кратко описаны применявшаяся аппаратура и методика измерений, а также методика обработки данных.

1.1. Якутская меридиональная- цепочка ионозондов как инструмент измерения структуры высокоширотной ионосферы

Исследования характеристик ионосферы по данным, полученным на станции зондирования в Якутске, дали возможность расширения исследовательских программ по изучению особенностей субаврораль-ной ионосферы. И уже в 80-е годы было намечено развитие экспериментальной базы на меридиональном разрезе Якутск - Тикси, а именно: размещение трех ионозондов АИС. Дальнейшее развитие экспериментальной базы происходило как в усовершенствовании стационарных станций, так и во вводе экспедиционных для ограниченных периодов измерений. Цепочки станций , оснащенные специальными антенными устройствами, позволяли получать ионограммы не только вертикального зондирования (ВЗ), но и наклонного зондирования (НЗ) и возе-

ратно-наклонного зондирования (ВНЗ) [14,29,301. Этапы внедрения ВНЗ ионосферы с помощью ионозондов на цепочке Якуток-Жиганск(или Батата1!)- Тикси и развитие меридиональной цепочки как единого прибора изображены на рис.1 Л. Выбор типа антенн для ВНЗ и их ориентация в пространстве определялись требованием ортогональной встречи наклонно излученной ионозондом при ВНЗ волны с отражающей (рассеивающей) ионосферной неоднородностью исходя из положения, что неоднородности вытянуты вдоль магнитосиловых линий [521. Предполагалось, что это требование, вероятнее всего, будет выполнено при направлении ВНЗ в плоскости магнитного меридиана на север и на юг с учетом рефракции излученной волны в фоновом ионосферном слое. На практике такое предположение оправдалось. Оно было положено в основу размещения станций при организации меридиональной цепочки ионозондов ВЗ и ВНЗ с перекрывающимися "освещаемыми" от антенн ВЗ и ВНЗ соседних станций зонами на высотах Р-ио-носферы. Учитывая, что радиус корреляции данных для станции ВЗ в субавроральной зоне по меридиану составляет не более 300-500 км и линейные размеры крупномасштабных ионосферных структур того же порядка или более, станции были разнесены вдоль геомагнитного меридиана А.~ 190° на 600 км. В качестве антенн для ВНЗ окончательно были выбраны горизонтальные ромбы (РГ). Параметры и геометрия были выбраны так, чтобы диаграмма излучения РГ в установке ВНЗ "освещала" зенит соседней стации на частотах, где чаще всего имеет место обратное эхо С1033.

Начиная с 1981 года цепочка укомплектована совмещенными для ВЗ и ВНЗ ионозондами АИС со специально сконструированными антенно-фидерными устройствами и схемами коммутации антенн и переключения режимов работы ионозонда [28-30,1031. В настоящее

Этапы сог-цания Якутской меридиональной цепочки ионозондов

ВЗ и ВНЗ адоль А — 190°.

Меридиональный^ разрез по А^190° ^

до 1966г.

№3-/№ц

197149736!.

19734979гг.

1979-196011. \

■ г: :

То

я

ЩБ) Т

К

с 1.198/г.

Вертикальная стрелка - ВЗ, наклонная стрелка к северу - ВНЗ на север, наклонная стрелка киюгу - ВНЗ на юг,; пунктирная стрелка планируемье измерения. Т0 - Томмот* Я 4 Якутск, :Ж;;.~)Жиганск, Т - Тикйи, К - о-.Котельный.

Рис. 1.1

; .1 : ГМ

время меридиональная цепочка ионозондов ВЗ и ВНЗ Якуток-Жиганск-Тикси представляет логически и методически связанную систему из трех однотипных разнесенных на 600 км вдоль магнитного меридиана А-""190° совмещенных ионозондов для вертикального (ВЗ) и возвратно-наклонного (ВНЗ) радиозондирования ионосферы с набором антенн к ним. Функционально цепочка является единым прибором с широким полем обзора для диагностики состояния крупномасштабной структуры ионосферы от средних широт (Фи ~ 50°N) до полярной шапки (Фи 75-80°N). Через каждые 15 минут во всех пунктах сихронно производится радиозондирование в диапазоне 1-18 МГц в четырехкадровом режиме: первый рабочий ход - ВЗ при фиксированном усилении приемника, четвертый - ВНЗ в каждом направлении. Регистрация производится на кинопленку в виде ионограмм. Схематическое изображение направлений зондирования на цепочке - приборе" показано на рис. 1.2. Все технические разработки и ж реализации приведены в [28-30,103]. Данные, полученные на этой уникальной цепочке, положены в основу данной диссертации наряду со спутниковыми данными, описанными ниже.

1.2. Описание методики измерений паршетров ионосферы с помощью спутников "Космос-900" и "Интеркосмос-19".

В данной работе для анализа были привлечены спутниковые измерения плазмы и, в основном, использованы данные спутников "Космос-900" и "Интеркосмос-19". Теперь о каждом pis них по порядку.

Спутник "Космос-900" (или К-900) был запущен в марте 1977 года на почти круговую орбиту с высотой около 500 км, периодом об-

Схема "освещения" Р-области ионозоыдами ВЗ и.ВНЗ по,-Якутскому меридиану.:^

. -г А

■

7

100

Р-область ионосферы ~

'6НЭ-С

Томмот Якутск Сангор Жиган ох РТикси о. Котельный

2,5

¿ = /¿7

ГО

I

ВНЗ-ю - зондирование на юг, ВНЗ-с - зондирование на север. Заполненные кружки - экспедиционные станции ВЗ в январе-марте 1985 года.

Рис. 1.2

ращения 94.4 мин и наклонением 83 градуса.

На борту спутника наряду с измерениями энергичных частиц, проводившимися НИИЯФ МГУ (не рассматриваемыми в данной работе),ИКИ в лице В.В.Афонина и его коллег проводила измеренияя концентрации ионов и температуры электронов. Приведем здесь кратко описание этих приборов.

Концентрация плазмы на спутнике К-900 измерялась трехэлектрод-ной ионной ловушкой с плавающим потенциалом.

Вследствие квазинейтральности плазмы на высоте спутника, считается, что концентрация ионов N1 равна концентрации электронов Ме. В связи с достаточно большим наклонением орбиты можно приближенно считать, что измерения вдоль орбиты отражают широтный профиль Ые для фиксированного момента времени. Участок орбиты от 40 до 80 градусов покрывается спутником за несколько минут. За период работы спутника с марта 1977 г.по сентябрь 1979 г., спутник снизил свою высоту до 350 км.

Измерения концентрации ионов N1 (в дальнейшем мы будем говорить о равной ей концентрации электронов ме) на борту этого спутника производились с частотой одно измерение в 1 секунду, а измерения температуры электронов Т9 - раз в 4 секунды.

После большой творческой работы по технической разработке прибора, измеряющего концентрацию и температуру плазмы, и его установки и доводки в приборном отсеке спутника,, проводившимися в ИКИ, появилась не менее трудоемкая по своему объему работа по распаковке телеметрической спутниковой информации из разных режимов сброса данных. Кроме того надо было сделать орбитально-геофи-зическую привязку измерений с наиболее высокой точностью и довести обработку данных до удобного для научного анализа вида. В йнс-

титуте космических исследований (ИКИ) РАН был реализован ряд усовершенствований по обработке телеметрической информации и ее орбит аль но- геофизической привязки [61-64]. Автор в рамках сотрудничества между ИКФИА и ИКИ принимала участие в разработках программ, касающихся организации обработки данных спутника "Кос-мос-900", в освоении данного пакета программ и внедрения его в ИКФИА для создания банка данных измерения температуры и концентрации электронов.

Один из примеров представления измерения концентрации электронов на широтах присутствия главного ионосферного провала приведен на рисунке 1.3 в виде ряда' широтных профилей Ме на 12 последовательных витках спутника "Космос-900". Для научного анализа наглядно представлен