Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

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

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

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

РГб од

1 и НЛП

.<00 российская академия наук

Сибирское отделение ИНСТИТУТ С0ЛНЕЧНС-ЗЕМН0Л ФИЗИКИ

На праьах ручоыь н

РЯБЧУК Сергей Константинович

удк 500.388.2

ИЗБИЕНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ структуры Р-ОБЛАСТИ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ионосферы во время аВРОРАЛЬКИХ возм/щеюм

04.0' 22-геофизика

Автореферат диссертации ча соискание ученой степи;: кандидата фгомчо-мчтеяатичасак'г наук

1'ркутск-1Э:|3

Г:оста выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии Якутского научного центра Сибирского отделения

РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ГЕЛЬБЕРГ М. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

АФРАЙМОВИЧ Г. Л.

кандидат физико-математических наук МЯСНИКОВ Е. Н

.&'Дуиия организация: Иркутский государственный университет

Защита состоится " " 1993 года в часов

на заседании специализированного совета Д. 003.24.01 г^и Институте солнемно-земной физике СО РАН, 664033, • Иркутск, Лермонтова, 126

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ

Автореферат разослан " " 1992

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ-мат наук

А. Й. Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертацид посвящена экспериментальному исследоианш-А , ») основе метода радиопросвечивания и НОР, изменения ¡..¡п-.сл

Структуры Г-О^ЛаСТИ ВЫСОКОШИРОТНО? ИОНОС$ерЫ ЙО Г'1">!М

авроральных возмущений.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Мелкомасштабные нсорнороди^от!-. ^-области высокоширотной ионосферы с масштабами от сотем н<>трот. до нескольких километров является следствием раог-Г'.'и:; неустойчивостей ионосферной плазмы , которые онрэде-лл!л<м физическими процессами магнитосферно-ионосферного взаимодействия и результатом воздействия процессов в никйзй и снагф&р-? и атмосфере на верхние слои. Для расшифровки отображений л'т/л; процессов на ионосферном экране важно спать причины , тзрьапн'л-изменения характеристик тонкой структуры ионосферной плазмг Йо время авроральных зозмуй^ний параметры мелкомаситаСит:: неоднородности изменяется в широких предела:' , поэтому экспериментальное изучение динамики мелкомаситас'ксй структуры позволяет *уточнит> существующие теоретические подели и;; образования . В Свои очередь, построение эмпирических модеяеи неоднородностей ионосферы является одним из вахнях папр.-.ьлониС ь исследовании диссипации энергии магнитосферннх и везмуш.ений на исносфернглх высотам.

Наличие в иоиоефэрной плазме неодиородксстей концегяр:«'*«!'! •годичных иаоштабоз суцесгзенныу оврагом келгет ус.-.-■■■•:' , аопр- хранения через воисОДгру раджгеюяч КО к }ТЗ дг.лп'и-.•••.- . Олучэйкыз рэриации параметре? глгсокодкрот.чсй к^у.с"■

вызванные неоднородностями, в некоторых случаях превосходят регулярные изменения "средних" значений этих параметров. Поэтому

г

для прогнозирования условий распространения радиоволн в высоких широтах необходимо знать характер изменения пара-'етров мелком?гчтабных неоднородностей во время авроральных возмущений.

Исследование параметров мелкомасштабных неоднородностей проводилось на протяжении многих лет на основе анализа изменения характеристик радиоволн, прошедших или отраженных от ионосферы, ' пря -ш измерений флуктуация плотности плазмы на ракетах и спутниках. По анализу флуктуаций ампчитуды и фазы сигналов радиомаяков "СЗ были получен1' основные закономерности пространственного распределения и из), энения параметров мелкомасштабных неоднородностей в высокоширотной ионосфере. Установлено. ч"о при переходе от средних широт к высоким амплитуда мелкомасштабных неоднородностей увеличивается в несколько раз. Определена статистическая граница интенсивных мерцаний радиомаяков ИСЗ, которая на ночной стороне примерно совпадает с экваториальной границей аврорального .овала. Показано, что ънутри высокоширотной , области ■ интенсивных радиомерцаний мелкомасштабные неоднородности' расппеДелины неравномерно, что связывают с' основными . структурными образованиями полярной ионосферы.

По данным радиопросвечивания и прямым .измерениям был установлен степенной характер спектра мелкомасштабных неоднородностей,и установлено, что его показатель изменяется с значения 0,8 до Р.. 0. и определяется вариациями потоко: агпоральних частиц, электрическил полей и крупномасштабных градиенте,Рк.-Е.тена связь мелкомасштабных неоЬ-.ородност-с?й с

крупномасштабными ионосферными образованиями.

Однако, ряд вопросов формирования мелкомасштабной структуры авроральной ионосферы остается открытым. В частнйстр, из-за трудоемкости измерения и ¿¡Гработки данных исследование изменения пространственного распределения и интрнсивгости мелкомасштабных кеоднородностей, в зависимости от геомагнитной активности, провс/.илось , на наш взгляд, с недостаточным временны-! разрешением: данные сравнивались с трех- vac.выми индексами Геомагнитной активности. Не проводилось исследование динамики мелкомасштабной структуры на разных фазах развития суббури. Недостаточно убедительно экспериментально определено влияние аномальной ионизации Е-области на генерации мелкомасштабных неоднородностей области F щ формирование их пространственного спектра.

, Иссл дования, проведенные на основе измерений

з

мелкомасштабной структуры с большим пространственнам и,временным разрешением с помощью созданной «ами в ПГО "Тикси" автоматизированной установки по регистрации мерцаний сигналов ИСЗ, позволяет ответить на ряд вышеуказанных вопрос )в. Сопоставление пменения параметров и пространствелно-време;шого распределения мелкомасштабных неоднородне;тей с результатами регистрации вариаций геомагнитного поля и ионосферных характеристик, полученных по данным вертикальног зондирования <йЗ> и методом наклонного обратного рассеяния CHOP), дают возможность экспериментально определить развитие мелкомасштабной структуры во йремя авроральных возмущений в высокоширотной ионосфере.

р

А ■•lyajifjüoc'io проблемы подчеркивается прогрессом в ¡¡[юг.1ыш ленной освоении северных регионов страны и развитием ероь.-ТБ космической радиосвязи, г. также развертыванием в ai',)'..p;\jit!!Oi) зон? экспериментальных работ по активным ио.:<^Л:пя5;ям на магнитосферно-но.юсферную систему, требующих оперативной диагностики состояния среды.

Целью работы являлось экспериментальное исследование иич'опсибНости, пространственного распреЛэленич, изменения вида спектра мепконасштаонц^ неоднородностей F-области

гыоолоплфотней ионосферб/ в зависимости от Характера развития ^ьроральных возмущений и изменений крупномасштабной структуры Е к F-областей.

Для решения этой задачи нами была создана автоматизированная установка по определена парамотоов мелкомасштабных неоднородностей высокоширотной ионосферы /цэтодом радиопросвечивания, отличающаяся от имеющихся • большим

пространственным и временным разрешением. Разработан> ,

пакет программ и реализован алгоритм обработки, позволяюдай проводить анализ данных в квазиреальном режиме времени. В период с 1983 по 1990 годы были поставлены эксперименты по одновременному наблюдению мелкомасштабной и крупномасштабной структуры авроральной ионосферы и проведена оценка геомагнитной активности.

Новизна работы. В работе впервые рассматривается изменение интексивкасти и пространственного распределения неоднородностей с размерами от сотен метров до нескольких километров на разных фазгх суббури.

Исследуется связь развития мелкомасштабной структур! Г-областн высокоширотной ионосферы с динамикой о-^яаот.мЧ. ответственных за появл ние спорадических отражений на ионогрзншх БЗ и НОР.

Впервые поручена зависимость показателя «п.ч.т{ .1 неоднородности от гео^агклтной активности и рассмотрено с-го поведение в процессе развития суббури.

Получено экспериментальное подтверждение формирования спектра мелкомасштабных неоднородностей за счет

электродинамической' связи между Е и ^областями и нестационарностью пооцессов генерации и диссь-ации неоднородностей

По измерение высоты эффективного слоя с неоднородностяКи и" интенсивности мерцаний с большим пространственным разгеш^тн.-и экспериментально ■ показана возможность образования мелкомасштабных неоднородностей верхней ионосферы вследствии развития токово-градиентиых неустойчиЕосте^.

На защиту выносятся еледующие полокеьия:

-Результаты экспериментального исследования

простанственного и временного распределения мелкомасштабных неоднородностей во время авроральннх суббурь методом радиопросвечивания.

-Результаты экспериментального исследованьл изменения спектра мроианий сигналов радиомаяке? ШЗ в' зависимости от "•»магнитной активности.

-Результаты экспериментального исследования вари дни эффективной высоты слоя с мелкомасштабными несднородкостяии с большим временный разрешенном. " ' •

Ит/чип:! и практическая ценность работы, определяется тем, чго в ней рассмотрено изменение параметров мелкомасштабной ■ 1.: [.-укт> | и ар-оральноА ионосферы при разных типах авроральных

Результаты работы указывают на то, что при построении ю ^ети'юстх моделей формирования тон .ой структуры ионосферы ¡иобхойимо учитывать влияние чысокопроводящего неоднородного слоя Р на механизм т-?нерации мелкомаептабных неоднородное, ей в ьц>хней ионосфере. Изменение спектра неоднород::остей можно испольэоьать, как показатель нсстационармости электрических полей и крупномасштабных градиентов ионосферной плазмы.

Экспериментально., установленный факт изменения параметров нес ;.нороднос1'ей Г-области ионосферы 1-2 часа до наступления взрывной фазы субб},)и важен для краткосрочного прог: эзир^вания условий распространения радиоволн КВ диапазона в высока широтах. Этот результат был использо-ан з прикладных исследования.^ по разработке методоь краткосрочного прогноз-отказа систем свя~ч по геофизическим условиям.

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

Публикации по теме диссертации составляю"- 9 работ; материалы диссертации использованы также ь

научно-исследовательских ' отчетах ПГО, лаборатории активных исследований ИКФИА, и хоздоговорных темах "Прогноз-1", "Прогноз-2" и "Преднамеренность".

Структура и объем работы. Работа содержит 11J страниц,30 рисунков и три таблицы. Список цитируемой литература хл^Р""1'1' 100 наименовании .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана краткая характеристика состоит!:; экспериментальных исследований мелкомасштабных неоднородноот...) высокоширотной ионосферы. Сформулирована цель работы, офиип-актуальность и новизна исследования и получен..их роэульт.угои. Чратт'о изложено соде.жание рабс.н :t сформулированы ссногмш;; положения, выносимые на защиту.

В первой главр описана методика измерений najvai.«?Tj.o:s мелкомасштабных неоднородное гей методом радиопросвечивания и диагностики динамики ионосферной плазмы методом НОР.

Приведены блок-схемы установок "Маяк-1" и "Маяк-2". D качестве приемного устройства установки "Маяк- 1" используется три пространственно-разнесенные антенны, с которых через антенны.» усилители сигнал частотой 400' мГц поступает на входы приемников Р-313М2 и далее ' на приемники P-25GM. Выделение сигнала "мер-ашгй" в диапазоне 0.1-10 Гц осуществляется схемой, содержащей усилитель с регулируем.',!« коэффициентом усиления , детектор и нолсст.ьсй фильтр. Аыомати >?с.<сая регулнроьн:1 yuunnw.i производя: я ъ диапаимк» частот 0-0. - Гц и преднзэначага дчл устранения оакисимосш ьеличи: i сигнала "мерцаний". от уроьн:| сигнала. Зго, по-нер ыл:: , появоляеу эффективно испсльяоаать динамический аналэгодо- им£р.:*ого прс-о^раагпуголя , и,

ьо-ьт~ры::, опл< г ..j^r 'ш*орпт».< цифрою;! обработки и 'ъиау*«л».«.'7.

оценку записи. Для компенсации допплеровск >го изменения частоты сигнала ПСЗ в приемнике Р-250М в;гдена автс: одстройка частоты второго гетеродина , что значительно облегчает регистрацию при гииеые 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- 1ьный приемник на частоте 400 мГц, с одновременной фазовой автопо дстройной по всем каналам. Использование этого приемника позволило увеличить чувствительность 'риемпой системы и отношение си нал/»:'ум.

Запись и обработка сигнала производится с помощью ЭВМ 4"Электроника-60" 1 КАМАК-оборудования. Сигнал оцифровывается с периодов 3 по каждому каналу.

Программа обработки включает в себя определение дисперсии сигнала для' каждого канала , построение трех ЕзаимсКорреляционных функций между каналами, вычисление спектра процесса мерцаний и определение его показателя в диапазон^ частот 3-10 Гц. .

Построены калибровочные кривые, задающие соотношения между • дисперсией сигнала в единицах АЦП и стандартными индексами 51 и 24, приведена оценка инт нсивности неоднородностей по измеряемом индекса^. Йнтейсивность н^однородностей может вычисляться каждые 1.5 секуйды.

По максимумам корреляционных функцнЧ определяются "временные сдвиги между сигналами с трех антенн и вычисляется величина и аправление скорости дифр" кционной картины и, по изв стньш геомет^ичес сим соотношениям, высота эффективного с.:оя с неодяородностями. Высота также моъет вычисляться за каждые 1.5 секунды, что соответствует простанственным размерам траектории в

6-8 км. на высотах , соответствующих максимуму Г-глоя.

Спектр мощности вычислялся методом быстрого преобраэоианил Фурье, временной ряд предварительно, сглаживался с Номе«Ц-в четырехчленного окна Блзкмана. Построение спектра процесса мерцаний производится за каждый 6-секундный интервал записи с сдвигом в 1.3 секунды.

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

По данным НОР нам удалось выделить два вида характершг: отражений от области Е, один из которых соответствует зоне дифф> зных , а другой зоне дискретных высыпаний аврорэяьвкх 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 неоднсродностями, вызывающих мерцания с интенсивностью более 10%. Для каждого пролета выбирался максимальнный индекс мерцаний 8. Временной ход этих параметров сравнивался с поведением магнитного поля и изменением йоносферных парметров по данным ВЗ и НОР.

Измерения, с максимальной скъажйостьЬ йрешетами в 30

Минут, показали, что интенсивность й размер обйа^ей , эаняг'Х неоднордностями. возрастает за 1-ь часа до вэрЬВнои ^азы суббурй на меридиане пункта наблюдения. В магнитоспскойнЫе дни эт:-: лараметры ' плавно возрастают к полуночи. Приведена статистика

оправдываемое™ прогноза , суббури по изменение параметров мелкомасштабной структуры ионосферы, показано, что максимум не прослеживался в дни с очень сильной геомагнитной активное!сю .. В эти дни значения парметрив Р и 2 были очеиь 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- возмущения, которые начинались в других долготных секторах. В первом случае, увеличение параметров Р и Б наблюдалось за 0.5-2 часа до начала суббури, причем перед на ¡алом геомагнитного возмущения значения этих параметров были низкьми. Во втором случае, когда первая интенсификация происходила в другом долготном секторе, на магнитограмме станции-Твкси наблюдалась положительная бухта в Н-компоненте, которая сопровождалась ростом параметров Р и 5 в дневное и вечернее время.

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

5 третьей главе. на основе измерений параметров гэ^комаситабной структуры высокоширотной ионосферы с большим поостракственкыы и временным разрешением, исследуется изменений спектра нес народностей Г-области с размерами о 1 км. до 100

м. . В диапазоне временных частот от 3 до 10 Гц ..о спектральным точкам спектр мощности радиомерцаний аппроксимировался степенной зависимостью. Спектр мелкомасштабных неоднорочностей изменяется как вдоль пролога, так ч от пролета к пролету спутника. Показано, что в вечернем и ночном секторах показатель спектра увеличивается с рос -ом ' геомагнитной активности, достигая наибольших значений во время активизации суббури. Взаимосвязь между интенсивностью неоднородностей и крутизной опектра носит с. ожный характер. Нами обнаружено, что во время геомагнитных возушений существуют области с размерами от 100 до 300 км. по широте, в которых рост интенсивности сопровождавтся укручением спектра.Такое соотношение между показателем спектра и интенсивностью мелкомасштабных неоднородностей наблюдалось нами при просвечивании, лучистой дуги полярных сияний. На сснове анализа экспериментальлых данных и обзора ряда работ сделан вывод, что увеличение показателя спектра мот.е! быть обьяснено нестационарностыэ процессов генерации и диссипации неоднородностей и влиянием во время возмущений высокопроводяцего слоя Е на распределение по масштабам неоднородностей в верхнеТ 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 эффект объяснен наличием в ионосфере крупномасштабных неоднородностей типа "капель" с размерами 50-200 км.. Сравнение интенсивност;" мерцат'Т и вариации высоты слоя с неоднородностями показало, что индекс мерцаний возрастает во чремя резкого увеличения высоты, '.то- по нашему мнению .окно объяснить увеличением интенсивност-

мелкомасштабных. флуктуации электронной концентрации на крупномасштабных градиентах плотности ионосферной плазмы.

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

1. На северо-востоке страны создана автоматизированная устаноька по определению параметров . мелкомасштабных ■ неоднородностей с большим простраственным и временным ра&решением методом радиопросвечиваь.ш, и получен ряд данных с Ш82 года.

2. ПоказгНо, что интенсивность и размер областей, занятых мелкомасштабными неоднородноетями, возрастает за 0.3-2.5 часа до начала резкого понижения Н-компоненты геомагнитного поля, что может служить предвестником суббуревых явлений е пункте наблюдения.

? Эксперимент шьно установлено - укручение спектра мелкомасштабны.* неоднордностей с ростом геомагнитной активности в вечернее и ночное время. При интенсификации суббури показатель спектра возрастает.

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

3. По вариациям эффф^ктивной высоты слоя с неоднородноегями получена возможность по _ данным радиопросвечивания регистрировать неоднородности с размерами 50-200 км.. Показано, что при резких изменениях высоты возрастает интенсигность гэрцаннй.

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

установка по определим» параметров неоднсродностей по , .шннм радиопросвечивания.// Физические процессы в суббасроральноЛ ионосфере. Якутск. 1985. С. 58-69.

2. 1ельберг М. Г. , Рябчук С. К., Старина В. А. Изменение эффективной высоты слоя мелкомасштабным!' неоднородпостями i> F-области высокоширотной ионосферы.// ХУ Всесоюзная конферси-цртэ по распространению радиовоя''. М. Наука. 1987. Г. 35.

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

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

502-501 »

5. Г льберг М. Г. , Рябчук С. 1С., Старина В. А. Возможность прогнозирования геомгГнитной субс^ри по регистрации параметров мелкомасштабных неоднордностей // Полярные геомагнитные исследования. Из-Во. ИЗМИРАН. 19S6.

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 авроралыюй зоны. Якутск. 1323. С. 109-112.

7. Рябчук С. К. , Старина В. А. , Гельберг М. Г. Влияние динамических процессов в нижней атмосфере на тонкую структуру F-o6rscTM высокоширотной ионосферы. // Второй всесоюзный симпозиум го

результатам исследования средней атмосферы. М.: Наука. 1986. С. 38-39.

0. Рлбчук С. К. , Романов Ю. Н. , Старик.» В. А. Изменение спектра мелкомасштабных неоднородностей в Г-области высокоширотной ионосферы по данным радиопросвечивания. // Неоднородная структура ионосфер;1. Сборник научных трудов. Як'тек. 1991. С. 43-49.

0. Кершенгольц С. 3., Рябчук С. 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.