Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изменение мелкомасштабной структуры F-области высокоширотной ионосферы во время авроральных возмущений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Изменение мелкомасштабной структуры F-области высокоширотной ионосферы во время авроральных возмущений"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На пряная ручанп..;)

РЯБЧУК Сергей Константинович

УДК 550. 380. г

ИЗБИЕНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ Р-ОБ.ПДСГК ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ аВРОРАЛЬКЬХ ВОЗМ/ЩЩ

04.0' 22-геофпэ ика

Автореферат диссертации на соискание учекоИ стопен" кандидата юиоило-математичэсакч нчук

Иркутск-1933

Р(Зога выполнена в Институте космофкзических исследований и аэрономии Якутского научного центра Сибирского отделения

РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ГЕЛЬБЕРГ М. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

АФРАИМОВМЧ Г. Л. кандидат физико-математиче-сдих наук МЯСНИКОВ Е.Н "

$е?д/тя организация: Иркутский государственный университет

Защита состоится »м'зе^Ц 1993 года в ' ■/ часов

на заседании специализированного совета Д.003.24.01 г^и Институте солнемно-зешой физике СО РАН, 664033, ■ Иркутсг., Лермонтова, 126

С диссертацией можио ознакомиться в библиотеке ИС34>

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ-мат наук

сК

А. И. Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертацид посвящена экспериментальному исследовании , и основе метода радиопросвечивания и ' ПОР, изменения ь ни :,»

СТРУКТУРЫ Г-ОГ! ЛаСТИ ВЫСОКОШИРОТНО*» ИОНОСферМ ЙО Г']""':-:!:! авроральных возмущений.

АКТУАЛЬНОСТЬ ' ПРОБЛЕМЫ. Мелкомасштабные нсолнорпдцоо'П'. Г-области высокоширотной ионосферы с масштабами от сотен м^грог. до нескольких километров являются следствием рапгг-^к'. неустойчивостей ионосферной плазмы , которые онределлстм физическими процессами магнитосферно-ионосферного взаимодействие и результатом воздействия процессов в нияЧэА иснос^ер^ и а1 мосфере на верхние слои. Для расшифровки отобра:?аш!;'1 этик процессов на ионосферном экране важно гнать причины . ыта$№а>ч<1'/.-изменения характеристик тонкой структуры ионосферной плаз»*;' Вовремя авроральных воамуи^ний параметры мелксжасатаЛк": неоднородности изменяется "" в широких предела;' , постом/ экспериментальное изучение динамики мелкомасцте'ной структур« позволяет уточнить существующий теоретические модели их образования . В Свою очередь, построСлшэ эмпирических моделей неоднородностей ионосферы является однкм из важюгс направлений т. исследовании диссипации энергии магнятосферннх и -»тмос^гдак возмущений на ионосферных высотах.

Наличие в ионосферной плазме неоднородкостей концентрации .•аэяичних касш?гс!оз существенным оораоом кс.)яет ,

,-испр- зтраненнл через кондоферу радаополч № к УКВ дг.^п-ч^.- :":,-Олууайиыэ вариации париметрсв вксэкодарот.чсй иокеоф^р;.; ,

вызванные неоднородностямч, • в некоторых случаях превосход:

регулярные изменения "средних" значении этих параметров. Поэта

i

для прогнозирования условий распространения радиоволн в bucoki широтах необходимо знать характер изменения пара"етрс мелком? ситабных неоднородностей во время авроральных возмущенШ

Исследование параметров мелкомасштабных неоднородности проводилось на протяжении многих лет на основе анализа иэменеш характеристик радиоволн, прошедших или отраженных от ионосферы, пр^.ш измерений флуктуаций плотности плазмы на ракетах спутниках. По анализу флуктуация амгпитуды и фазы сигналс радиомаяков Г!СЗ были получен1' основные закономерное! пространственного распределения и изгэнения параметре мелкомасштабных неоднородностей в высокоширотной ионосфере Установлено. что при переходе от средних широт к высоки амплитуда мелкомасштабных неоднородностей . увеличивается несколько раз. Определена статистическая граница интенсивны мерцаний радисяаяков ИСЗ, которая на ночной стороне приыерн совпадает с экваториальной границей аврорального .овала Показано, что внутри высокоширотной , области • интенсивны радиомерцаний мелкомасштабные неоднородности распределен неравномерно, что связывают с' основными . структурным образованиями полярной ионосферы.

По данным радиопросвечивания и прямым измерениям бы установлен степенной характер спектра мелкомасштабны неоднородностей,и установлено, что его показатель изменяется значения 0,8 до P.O. и определяется вариациями поток-аморальных частиц, электрически полей и крупномасштабны: градиенте». Заявлена связь мелкомасштабных неоднородностей <

;рупномасштабными ионосферными образованиями.

Однако, ряд вопросов формирования мелкомасштабной структуры .вроральной ионосферы остается открытым. В частнйетг, из-за рудоемкости измерения и сГработки данных исследование изменения !ространственного распределения и интрнсивгости мелкомасштабных :еоднородностей, в зависимости от геомагнитной активности, ровс;;илось , на наш взгляд, с недостаточным временным ■азрешением: данные сравнивались с трех- чаевыми индексами еомагнитной активности. Не проводилось исследование динамики ¡ел:;омасштябной структуры на разных фазах развития суббури, [едостаточно убедительно экспериментально' определено влияние номальной ионизации Е-области на генерацию мелкомасштабных еоднородностей области F )?г формирование их пространственного пектра.

, Иссл. дования, проведенные на основе измерений

г

:елко],.асштабной структуры с большим пространственнам и.врейенным азрешением с помощью созданной >'ами в ПГО "Тикси" втоматизированной установки по регистрации мерцаний сигналов !СЗ, позволяют ответить на ряд вышеуказанных вопрос :>в. опоставление и-зменения параметров и пространстве лно-времеиного асиределения мелкомасштабных неоднородно;тей с результатами егистрации вариаций геомагнитного поля и ионосферных арактеристик, полученных по данным вертикальное зондирования ¿3> и методом наклонного обратного рассеяния CHOP), дают озможность экспериментально определить развитие мелкомасштабнай трукт/ры во йремя авроральных возмущений в высокоширотной оносфере.

р

А 'Ч уальносдо проблемы подчеркивается прогрессом в ¡¡¡•о/,пиленном освоении северных регионов страны и развитием средств ьосыической радиосвязи, г. также развертыванием в с.>у;.'л;:тыюк1 зонэ экспериментальных работ по активным

на ыагнитосферно-иоаосферную систему, требующих смг-ратввной диагностики состояния среды.

Лелмо работы являлось зкспериментальное исследование инч-еасивности. пространственного распре/1 эленич, изменения вида спектра мелкомасштабны,* неоднородностей Г-области 1.1!С0л01Ч1;р01'НСй ионосфер^ в зависимости от Эирактера развития дьроральных возмущений и изменений крупномасштабной структуры Е и Г-омастрй.

Для решения этой задачи наш была создана автоматизированная установка по определен?«» параметров мелкомасштабных неоднородностей высокоширотной ионосферы /цэтодом радиопросвечивания, отличающаяся от имеющихся ■ большим пространственным и временным разрешением. Разработан-пакет программ и! реализован алгоритм обработки, позволявши проводить анализ данндо в квазиреальном рею»ме времени. В период с 1983 по '990 годы были поставлены эксперименты по одновременному наблюдению мелкомасштабной и крупномасштабной структуры авроралъной ионосферы и проведена оценка геомагнитной активности.

Новизна работы. В работе впер&ые рассматривается изменение интенсивности и пространственного распределения неоднородностей с размерами от сотен метров до нескольких километров на разных фазах суббури.

Исследуется связь развития мелкомасштабной структур:! F-области высокоширотной ионосфер» с динамикой областей, ответственных за иоявл ние спорадических отражений на ионопшшаи ЕЗ и ПОР.

Впервые поручена зависимость показателя í:;¡-kt¡..i неоднородности от гебХагЦятной активности и рассмотрено ого поведение в процессе развития суббури.

Получено экспериментальное подтверждение формирования' спектра мелкомасштабных неоднородностей за счет

электродинамической■ связи между Е и ^-областями и нестационарностью пооцесоов генерации и диссь.-ации неоднородностей

По измерении высоты эффективного слоя с неоднородностями и интенсивности мерцаний с большим пространственным разгешс-шк.-м экспериментально показана возможность образования мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы велс-дотиш развития токово-градиентных неустойчнвостей-На защиту выносятся следующие положения: -Pt-зультаты экспериментального исследования

простанстьенного и временного распределения . мелкомасштабных неоднородностей во время авроральных суббурь методом радиопросвечивания.

-Результаты экспериментального исследованья изменения спектра м^оналий сигналов радиомаяков ИСЭ в ' оаьислмостя от - эмагнитной активности.

-Результаты экспериментального исследования вари ции эффективной высоты слоя с мелкомасштабная несднородкостяии• с большим временным разрешением. " *

Б

11 практическая ценность работы, определяется тем, ■но & ней рассмотрено изменение параметров мелкомасштабной-'ЛСумлри ар"ораяьной ионосферы при разных типах авроральных

Результаты работы указывают на то, что при построении •критических моделей формирования тон :ой структуры ионосферы и^об^окимо учитывать влияние высокопроводящего неоднородного слоя К на механизм операции мелкомасштабных неоднородное.ей в ьерхией ионосфере. Изменение спектр^ неоднород:;остей можно использовать, как показатель нс.стационар'«ости электрических полей и крупномасштабных градиентов ионосферной плазмы.

Экспериментально., установленный факт изменения параметров неспнородностей Г-области ионосферы "а 1-2 часа до наступления взрывной фазы субб>ри важен для краткосрочного прог: эзир^вания условий распространения радиоволн КВ диапазона в высоких широтах. Этот результат был испольэо"ан з прикладных исследования., по разработке методоь краткосрочного прогноз-отказа систем евл'ч по геофизическим условиям.

Апробация работы. Основные результаты , вошедшие в работу, -докладывались в период с 1985-1991 год на двух международных и четырех Всесоюзных конференциях, а также на научных семинарах в ИКИ, ДАНИИ. СибИЗМИР, НИРФИ, ПГИ, ИК1ИА.

Публикации по теме диссертации составл«1(г 9 работ; материалы диссертации использованы также ь научно-исследовательских ' отчетах ПГО, лаборатории активны}, исследований ИКФИА, и хоздоговорных темах "Прогноз-1", "Прогноз-2" и "Преднамеренность".

Структура и объем работы. Работа содепглт 111 eipauiu.oO рисунков и три таблицы. Список цитируемой литературы .одер-» и г 100 наименований .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

§2 введении дана краткая характеристика &>стояии:1 экспериментальных исследований мелкомасштабных неоднородности») высокоширотной ионосферы. Сформулирована цель работы, отргш-нп актуальность и новизна исследования и получен..их результатов Кратко изложено содержание рабс.ы л сформулированы осношшо положения, выносимые на защиту.

В первой главе описана методика измерений параметров мелкомасштабных неоднородностей методом радиопросвечивания и диагностики динамики ионосферной плазмы методом НОР.

Приведены блок-схемы установок "Маяк-1" и "Маяк-2". 13 качестве приемного устройства установки "Маяк-1" используются три пространственно-разнесенные антенны, с которых через антенные усилители сигнал частоюй 400' мГц поступает на входы приемников Р-313М2 и далее на приемники Р-250М. Выделение сигнала "мер"аний" в диапазоне 0.1-10 Гц осуществляется схемой, содержащей усилитель с регулируемым коэффициентом усиления , детектор и полосовой фильтр. Аьтсштичэская регулирг-ыи уоияг.ты производи: .я в диапазоне часто г 0-0.. Гц и предназначена для устранения зависимости ьеяичи:. .1 сигнала "мерцаний" от ypn&mi сигнала. Это, во-первых , поаноляет эффективно испсльзолать динамический диапазон аиалогоьо-цифрового преоиразгъ&саяя , и, во-ьтг.рых, сблс! аш'оритм и.ифрою*1 сбрабгл-ки и 'вияуальчу; •

оценку записи. Для компенсации допплеровск <го изменения частоты сигнала 1!СЗ ь приемнике Р-250М в.'-эдена автс- одстройка частоты второго гетеродина , что значительно облегчает регистрации при гииеме на три антенны. Установка "Маяк-2" отличается от вышеописанной тем, что вместо приемников Р-250М и " Р-313М2 используется, сг?ланнчй нами, узкополосный тр^хканг- шный приемник иа частоте 400 мГц, с одновременной фазовой автопо дстропкой по всем каналам. Использование этого приемника позволило увеличить чувствительность :рием"ой системы и отношение си -нал/сум.

Запись и обработка сигнала производится с помощью ЭВМ "Э"ектроника~60" i КАМАК-оборудования. Сигнал оцифровывается с периодоь. 3 гс по каждому каналу.

Программа обработки "включает в себя определение дисперсии сигнала для каждого канала , построение трех взаимскорреляционных функций между каналами, вычисление спектра процесса мерцаний и определение его показателя в диапазон^ частот Зг-10 Гц. .

Построены калибровочное кривые, задающие соотношения между • дисперсией сигнала в единицах АЦП и стандартными индексами SI и S4, приведена оценка инт нсивности меоднородностей по измеряемом индексам. Интенсивность н^однородцостей может вычисляться каждые 1.5 секуйды.

По Максимумам корреляционных функц'.'Л определяются временные сдвиги между сигналами с трех антенн и вычисляется величина и аправление скорости дифр"кционной картины и, по известным геометрическим соотношениям, высота эффективного с.:оя с неоднородностями. Высота также моеят вычисляться за каждые 1.5 секунды, что соответствует простанственным размерам траектории в

В-8 км. на высотах , соответствующих максимуму Г-слоя.

Спектр мощности вычислялся методом быстрого преобразования Фурье, временной ряд предварительно, сглаживался с нсме;;1ьЬ четырехчленного окна Блякмана. Построение -спектра процесса мерцаний производится за кэ-чдый 6-секундный интервал записи с сдвигом в 1.5 секунды.

Используемая методика обработки позволяет определять параметры мелкомасштабных неоднородностей в реальном масштабе ьпемени, что дает возможность проводить оперативную диагностику тонкой структуры ионосферы.

По данным НОР нам удалось выделить два вида характерны": отражений от области Е, один из которых соответствует зоне диффузных , а другой зоне дискретных высыпаний аврорэ пышх частиц.

Во второй главе исследуеТся изменение интенсивности и пространственного распределения мелкмасштабных несднороднсстей во время авроральных возмущений.

По регистрации сигналов радиомаяков ИСЗ определялся широтный размер областей с неоднородностями, вызывающих мерцания с интенсивностью более 10'/,. Для каждого пролета выбирался максимальнный индекс мерцаний Б. Временной ход этих параметров сравнивался с поведением магнитного поля и изменением йоносферных парметров по данным ВЗ и НОР.

Измерения, с максимальной скьажйос^ьЬ М'е*ду йролетами в 30 Минут, показали, что интенсиьяость й размер сбМс+ей , занят-х неоднордностями. возрастает за 1-ь часа до взрУвнои ^.азы суббурй на меридиане пункта наблюдения. В магнитоспокойн^е дни- эти лараметры плавно возрастают к полуночи. Приведена статистика

сдфаьдиьремоети прогноза . суббури по изменений параметров мелкомасштабной структуры ионосферы, токазано, что максимум не прослеживался в дни с очень сильной геомагнитной активное!сю . В эти дни значения парметрив Р и Б были очеьи высокими на протяжении всего периода наблюдений.

Для учета глобальной картины развития суббури на тонкую структуру ионосферы в пункте наблюдения, геомагнитные возмущения-били разделены на два типа. К первому типу отнесены суббури, когда первая интенсификация на с. экойном фоне происходит в долготном секторе, охватывающем пункт наблюдения, ко второму типу- возмушлния, которые начинались в других долготных секторах. В первом случае, увеличение параметров Р и 2 наблюдалось за 0.5-2 часа до начала суббури, причем перед на ¡алом геомагчтного возмущения значения этих параметров были низкими. Во втором случае, когда первая лнтенсификация происходила в другом долготном секторе, на магнитограмме станции-Тикси наблюдалась положительная бухта в Н-компоненте, которая сопровождалась ростом параметров Р и Б в дневное и вечернее время.

Сопоставление данных наклонного обратного рассеяния и мерцаний показало, что рост интенсивности и .площади' пятен, занятых неоднородностямм, сопровождается приходом в зенит станции наблюдения областей с аномальной ионизацией Г и Е слоев ионосферы.

В третьей главе, на основе измерений параметров мелкомасштабной структуры высокоширотной ионосферы с • большим пиоетранствеикш и временным разрешением, исследуется изменений спектра нес -.нородчостей Г-<х1яасти с размерам*.! о 1 км. до -100

м.. В диапазоне временных частот от 3 до лО Гц ио спектральным точкам спектр мощности радиомерцаний аппроксимировался степенной зависимостью. Спектр мелкомасштабных неоднородностей изменятся как Вдоль пролсга, так ч от пролета к пролету спутника. Показано, что в вечернем и ночном секторах показатель спектра увеличивается с ростом геомагнитной активности, достигая наибольших значений во время активизации суббури. Взаимосвязь между интенсивностью неоднородностей и крутизной спектра носит с. ожный характер. Нами обнаружено, что во время геомагнитных возмещений существуют области с размерами от 100 до 300 км. по широте, в которых рост интенсивности сопровождается укручением спектра.Такое соотношение между показателем спектра и интенсивностью мелкомасштабных неоднородностей наблюдаюсь нами при просвечивании, лучистой дуги полярных сияний. На с^нове анализа экспериментальных данных и обзора ряда работ сделан вывод, что увеличение показателя спектра может быть обьяснено нестационарностью процессов генерации и диссипации неоднородностей и влиянием во время возмущений высокопроводяЧего слоя Е на распределение по масштабам неоднородностей в верхнеЧ ионосфере.

В ночное время в суббуревых условиях -ами были обнаружены вариации эффективной высоты слоя с неоднородностями с амплитудой 100-200 км. и периодом в несколько секунд. Этот э^Лект объяснен наличием в ионосфере крупномасштабных неоднородностей типа "капель" с размерами 50-200 км.. Сравнение интенсивност;' мерцанг! и вариггии высоты слоя с неоднородностями показало, что индекс мерцаний возрастает во время резкого увеличения выеты, ьто по нашему мнению .ожно объяснить увеличением интенсиЕност"

мелкомасштабных флуктуации электронной концентрации на крупномасштабных градиентах плотности ионосферной плазш.

г

Заключение содержит основные результаты экспериментального исследования мелкомасштабных неоднородностей, состоящие в следующем:

1. На северо-востоке страны создана автоматизированная установка по определенно параметров мелкомасштабных . неоднородностей с большим простраственным и временным разрешением методом радиопросвечиваьля, и получен ряд данных с 1981' года.

2. ПоказгИо, что интенсивность и размер областей, занятых мелкомасштабными неоднородностями, возрастает за 0.5-2.5 часа до начала резкого понижения Н-компоненты геомагнитного поля, что ыо&ет служить предвестником суббуревых явлений е пункте наблюдения.

? Эксперимент 1Льно установлено укручение спектра моякомасштабни* неоднордностей с ростом геомагнитной активности в вечернее и ночное время. При интенсификации суббури показатель спектра ?озраста6т.

4. Обнаружено соответствие между временным ходом показателя спектра мерцаний и электронной концентрации в области Е. '

5. По вариациям эффективной высота слоя с неоднородноегями получена возможность по данным радиопросвечивания регистрировать неоднородности с размерами 50-200 км.. Показано, что при резких изменениях высоты возрастает интенсивность гэрцаиий.

Результаты исследований опубликованы в следующих работах: 1. Рябчук '.К , Старина В. А. , Кряжев В. Л. Автоматизированная

установка по определнию параметров неоднородностей но ,.ишым радиопросвечивания. // Физические процессы в суббавроральной ионосфере. Якутск. 1985. С. 58-69.

2. i ельберг М. Г. , Рябчук С. К., Старина В. А. Изменение эффективной высоты слоя .мелкомасштябным!' нэоднородпостлми ? F-области высокоширотной ионосферы.// ХУ Всесоюзная конференции по распространению радиовол". М. Наука. 1987. С. 35.

3. Рябчук С. К. , Старина В. А., Гельберг К. Г. Изменение характеристик радиомерцаний во время суббури. // БНТИ. Якутск. 1984. С. 21-2?.

4. Ряб"ук С. К., Старица В. А. , Гельберг М. Г Взаимосвязь крупномасштабных и мелкомасштабных неоднородноегей в ^-области по результатам радиопросвечивания высокоширотной ионосферы.// Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. С.

502-504 »

5. Г льберг М. Г. , Рябчук С. К. , Старина В. А. Возможность прогнозирования геомагнитной cy66vpn по регистрации параметров мелкомасштабных неоднордностей // ' Полярные геомагнитные исследования. Из-Во. ИЗМИРАН. 198S.

С. 116-118.

6. Рябчук С. К., • Новиков А. М. , Руднев Ю. Ф. и др. Связь • циклонической активности в тропосфере с генерацией

мелкомасштабных неоднордностей в ионосфере.// Геофизические исследования на широтах авроральной зоны. Якутск. 1986. С. 109-112.

7. Рябчук С. К., Старина В. А., ГелыЗерг М. Г. .Влияние динамических процессов в нижней атмосфере на тонкую структуру F-обгясти высокоширотной ионосферы.// Второй всесоюзный симпозиум по

jуаультатам исследования средней атмосферы. М.: Наука. 1986.

С. 38-39. ,

У. Рлбчук С. К., Романов Ю. Н. , Старина Б. А. Изменение спектра ,мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной ионосферы по данным радиопросвечивания. // Неоднородная структура ионосфер;1. Сборник научных трудов. Якутск. i991. С. -13-49.

9. Кершенгольц С. 3. , РябчукС.К. , Филиппов В. М. и др. Врученные вариации локальной структуры ионосферы // Неоднородная структур? иок сферы. Сборник научных трудов- Якутск: ЯНЦ. АН. СССР. 1991. С. 92-103.