Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Структура квазипостоянного электрического поля в высокоширотной ионосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Структура квазипостоянного электрического поля в высокоширотной ионосфере"

АКАДЕМИЯ-НАУК СССР

' институт земного мапжгшма,

ИОНОСФЕРЫ А РАСПРОСТРАНЕНИЙ РШОВОШ

На правах рукописи

Стннев Георги Антонон

СТРУКТУРА КВАЗИПОСТОЯНИОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ШШ В ВЦСОШШРОТНСЙ ИОНОСФЕРВ (результаты эксперимента на 'ЛСЗ "Интсркосг.юс-Болгария-ХЗОО" и г.одель)

•• »¡ол'си.иое'.гь - 04.1:0.22 - Гес^-изика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физлко-жтематических наук

Москва 1391 г.

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АП СССР, и в Институте космических исследований болгарской Академии наук.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Я.а.^етьдштей)

кандидат '¡шзико-математпчееккх наук Н.Ь.Псае»

.Официальны« оппоненты; доктор фиэико-матемотпчес.чпх наук

М.Г.Дсмииов

доктор 'фшшко-матс.,.итни,<: • ,и наук Л .11.Кропоткин

Бедущип оргапкъицы«: Институт космических кос {„¿пденпй

¿ащкта диссерчацш; состоиться -¿г- Ц_ ЮЫ Д 1У9] г. в IV час. ОФ мин. на заседании Споцп-; ¡к- . анно; о Совета Д.ССч..Ш.01 прл П31.и1Р ЛИ СССР

Дцрес: Н£0У2, Мосговская область, г. Троицк, Х..и1РЛП

С диссер';ациоЛ молю ознакомиться п бибилиотаке iiii.-4.iPAH СССР Авторе^орат рачослан "_ ЛА^Х- -Д 1991 г.

Учений секретарь ~ Специализированного Совета /

кандидат фиэ.-мат. наук О.П.КодомкПцев

()Б1!{ЛЛ ХАРЛКТШ1оТШ0\ РЛБОТи " ------------_ _

Актуальность теми. Порше эксперимента.(ы »по результаты исследований электрических полег; в ионосфере на епупгнкчх и ракетах, получешшз более двадцати лет назад, го кабалн важное значение этих пелеи, которое о)гл имеют во многих физических процессах, протшшащих а околоземном коеми'юскш пространство. И одном кз первых успешных спутниковых экспериментов по измерению электрических нолей на спутнике "Инжуй--5" било экспериментально уетановланй существование коллективного движения плазмы и ионосфере высоких дарот. й Дальнейшем было показано, что конвекция з магнитосфере и ионосфере приводит к возникновение ряда явлений, таких как формирование плазмопаузы, образовать главного ионосферного провала, формирование крупномасштабной структуры полярной ионосферы И Т.Д.

.и-дкдое из перечислениях явлений в ионосфере представляет собой достаточно сложную проблему и до сих пор яиллется предметом обширннх исследований. Кроме тоге, посредством электрических поле:! и продольных токов осуществляется электродинамическое взаимодействие л системе ионосфера - магнитосфера и, таким образом, электрическое поле является одним из ключевцх параметров для решения многих задач ионоСи>ерна-маг-питосферних связей. Поэтому в настоящее время во всех спут-киковцх проектах в комплекс научной аппаратуры обязательно включается прибор для измерения электрических' полей. Однако, в силу сложности проводимых измерении и обработки данных, далеко не в каждом эксперименте удается получить достаточно достоверные результаты по электрическим полям, что и определяет ограниченность и фрагментарность этих данных. Экспериментальные исследования пространственного распределения вектора электрического поля, его величины и направления 15 высокоширотной ионосфере в различных геофизических ситуациях.дают ключ к решению многих задач физики полярной ионосфер« и исследованию процессов в магнитосфере. Особый интерес нву.. этом в настоящее время вызывают процессы (в частщйи тура конвекции) при больших положительных . В2 '

- А ~

из основных проблем физики полярной ионосферы и настоящее время является создание самосогласованной модели электрического поля адоптированной к применению эмпирических данных по распределению нроводимостей и продольных токов с одной стороны, и пригодной для проведения прогностических расчетов электрических поле!! и токов в ионосфере с другой. На решение ряда задач из перечисленных вшю бил направлен эксперимент по измерению электрических полей в проекте "ИК-Болгария-13Ш".

Необходимость решения подобной задачи дактуетол как потребностями физ:.ки по.'чрной ионосферы и ионосферно-магнитос-ферных связей, так и лообходимостями научной проработки различных спутниковых проектов для исследования космической плазмы как н естествошых условиях, так и при проведении активных экспериментов.

Цель работы.,

1. Создание аппаратуры для прецизионных измерений трех компонентов электрического поля с точностью Д!^, •.= ЛЕу =

- £ 2 мы/м для горизонтального компонента и = - о мВ/м для вертикального.

2. Ис!:ледови10.о структуры электрического поля и конвекции плазмы и ионосфер« высоких к субаврораяышх широт.

3. Создание самосогласованной прогностической модели электрического поля, допускающей использование в качестве входных параметров реально измеряемых величин продольных токов и потоков частиц (формирующих распределение проводимости).

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Разработан, изготовлен и реализован в спутниковом проекте "Интеркосмос-Болгария-1300" измерительный комплекс приборов ИЭСП для исследования электрических полей в ионосфере с зад иной точностью» Проведен анализ влияния эффектов затенения (солнечного и. магнитного) одного из 3-х пар зондов на результаты измерений.

2. По результата?.! измерений электрических полей на спут-

-ft

Hjii-e '".:К-Болгария-1300" пспледошша структура электрических......

полой .-...швкцки » высокоширотной и оу<$авророгп»ной ионосфере и показано, что:

а) при смене знака В2>0 к Bz<0 система кошюкции расширяется на более низкие широты (на G0 - 7°) за характерное время t: = 10 — 15 мин , при обратной с; юно знака лосстаноп- ' ление конвекции происходит за интервал "С I час;

б) при большх положительных Нг (Hz » la - 17 п'Г) конвекция в полярной шапке представляет собой двух- трехвих-ревую систему с характерным масштабом ячейки I а: 1000 км.

3. Разработана аналитическая модель электрического поля в высокоширотной ионосфере, адаптированная к реально измеряемым данным по потокам высыпающихся электронов, продольным токам и позволяющая проводить расчеты распределения электрического ноля, близкого к реальному.

Практическая значимость работа опре.ч-.пяется следуюними факторами:

1, Прибор ИОСП может служить прототипе;: для измерителен электрического поля в любом спутниконом проекте по исследованию околоземного космического пространства. !3 модифицированном виде прибор ИЗСП-2 включен в состав научной аппаратуры в проекте "Интербол". Программа sky , разработанная в диссертации для проекта "ИК-Болгария-1300", татае может быть попользована для анализа данных и учета эффектов затенения,

2. Модель электрического поля, разработанная в диссертации, может быть использована для решети! ряда задач физики ионосферно-магнитосферного взаимодействия, моделирования полярной ионосферы, а также для прогностических расчетов электрических полей и токов в ионосфере при проведении научно-технической проработки ноьих спутниковых проектов.

Защищаемые в диссертационной работе положения.

I. Прибор ИЭСП для измерений электрячешеих полей в ионосфере, успешно функционировавший в течение всего периода работы по проекту "Интеркосмос-Еолгария-1300" и обеспечивший достоверные данные измерений трех компонент.электрического поля,

а также результаты анализа и контроля эффектов затенения датчиков различных приборов (включая ИЭСП) различны!« частями корпуса спутника.

2. Результаты исследований характера поведения вектора электрического поля (конвекции) в различных геофизических ситуациях, которые показали, что:

а) характерное время реакции конвекции на обращение направления В 2 Ш!1 от северного к южному составляет

10 - 15 минут, п,)и' этом система конвекции сдвигается к э]сватору на 6°-7° , при обратной смене знака Вг время установле1шя системц конвекции составляет ИГ часа ;

б) при больших положительных величинах х32 МП конвекция плазмы в полярной шапке имеет 2 - 3 -х вихревую систему с пространственным масштабом В ~ Ю00 км, причем одна из ячеек, как правило, наблюдается в области дневного полярного каспа. Направление деже ни я плазмы в этой ячейке по часовой стрелке при ¡¡у > С

и против часовой стрелки при < 0.

3. Аналитическая самосогласованная модель электрического поля в высокоширотной гхнэефере, допускающая задание входных распределении провода:лостей и продольных токов близких к реально измеряемым и допускающая её использование в качестве прогности ческой.

Апробация работы. Матери&ш диссертации обсуждались на научных седанарах ИЗЖР АН и ШШ ВАН, догадывались на советско-болгарских совещаниях по проекту "ИК-Болгария-ХЗОО" (г. Суздаль,'1983 г., г. София, 1983 г., г. Старая Затора, 1984 г.), на Ш Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи (г. Мурманск, 1984 г.), на Международном симпозиуме "Полярные геомагнитные явления" (г. Суздаль, 1385 г.), на сшлпозиу:/.ахСОЗРАй (г. Грац, Австрия, 1984 л., г. Тулуза, Франция, 1986 г.), на ~;есоюзном семинаре "Физика авроральннх явлений (г. Апатиты, 1991 г.).

Шкйлшэдпи» Основное содержание диссертации опублико-

вано в II работах,

Структура и объем диссертации. Работа состоит иа введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 11?. страниц основного текста, рисунков . ^ списке цитируемой литературы 1наименований„

Содержание онботи*.

Во введении обосноньшаетсн актуальность г^мн, определяются доли работн, Формулируются задачи, решаемые н дкеоортации. Также кратко излагается содержание диссертации и приводится основные положешгя, виносимыо на зшциту.

В главе Т приведено описание методов измерений электрических полей в ионосфере и магнитосфере, применяемых как в спутниковых и ракетных экспериментах, так и иепользуемих на-эомнши средствами. &ос:ь «о приводится обзор результате» по исследованию электрически:: .ючеН и ко;шекц;:и ионосферной плавки, полученных нутом зондопых изкооешШ нч спутниках л ростах, в экспериментах с бариевыми облака-ли я путем л&лорений скорости дрейда радара*.ш когерентного и некогеронтного рассеяния. В это1; гладе такпе проведено обоукдшкю суаость/ьшх а насгоякео время эмпирических " полузмпкрпческих моделей ы^л-трического поля, цолучеиних различными ¡.штораш.

13 главе П дано описание комплекса приборов 'ЛХИ-ШШ, разработанного и к.» готовленного л рамках спутникового проекта "Интеркоомос-Болгария-ХЗОО" и предназначенного для измерения как квазипостоянных электрических ноле л.. гак и для измерений электромагнитных воль КНЧ-УНЧ -диапазонов. Здесь же, исходя задач электромагнитных экспериментов и проекта в целом. обосношзается использование метода измерений электрического поля - метода двойного зонда Ленгмюраг приводится описание указанного метода. Приведены также результаты лаос-раторных исследований свойств поверхности зондов (распределение работы выхода но поверхности зонда, отклонение от сферичности) и влияние указанных факторов на точность йзмерекий. Проведены оценки суммарной погрешности измерений, которая составляет для Е^ и Еу компонент ("горизонтальных")

ДЕ^, у - л мВ/м и для вертикальной компоненты ДЕ2 = ±5мВ/м.

Глана 1:1 посвящена исследованию структуры электрических полей и конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере на основе результатов, полученных на спутнике "ИК-13олгария-1300" с помощью прибора ИМ1. Две из измеряемых компонент электрического поля Ех и £у позволяют,в отличии от некоторых предыдущих измерений,получить нектор электрического поля, ортогональный в высоких широтах магнитному нолю. Величина и направление этого вектора в каждой точке 'траектории определяют структуру конвекции ионосферной плазмы. Как показано, в результате многочисленных измерений в обл .сти авроралыюго овала, вектор электрического ноля направлен к экватору в утреннем секторе и к полюсу в вечернем, что соответствует результатом предыдущих исследований. Максимальная величина электрического поля наблюдается вблизи центральной части апроральнои зоны и зависит от знака В2 ШП. В этой же главе проведено исследование распределения электрического поля на субапроралышх широтах и показано, что максимальные по величине электрические поля наблюдаются вблизи минимума плотности плазмы в главном ионосферном провале, либо вблизи его полярной стенки. В связи с известной большой ролью межпланетного магнитного поля (в основном В2 -компонент) в механизмах генерации электрического поля магнитосферной конвекции, весьма важным представляется решение задачи о реакции системы конвекции плаз;.«; ни обращение направления Вг компоненты Г,Ш. С это]! целью били использовали четыре последовательных измерений на спутнике ''Ж-Болгария-1300" и результаты трех одновременных измереты скорости дреИфа плазмы на спутнике Д£~2 15 декабря 1081 г. (16.00 - 23.00 ЦТ). За указанный период времени В2 М'ЛП дважды меняло направление, В результате анализа одновременных измерений на двух спутниках определено, что при повороте В2 ШП от северного направлешя к шному зремя установления конвекции составляет Ъ 10 -I- 15 млн» „ за это же время происходит смещение системы конвекции к окватору на 6°-7° иыариантной широты. При обратном изменении ггигравле-ния В 2 от шного к северному время установления составляет Т £ I час» Особый интерес представляют собой динамические процессы в высокоширотной ионосфере при больших положительных

ьу^ж---------------------- -- ____________

Проведенные в связи с этим исследования структуры конвекции показали, что при В2 = Ъ + лТ в полярной шапке реализуется 2-3 -х вихревая система конвекции резко нестационарного характера,с направлением скорости конвекции определяемым знаком компоненты ЖЕ. Характопные чоостранственные размеры вихрен порядка 1000 км, напрей*ение скорости конвекции для вихрей, расположенных в области дневного каспа,пс часовой стрелке для Я, > 0 и обратное пр:: < п.

В 1У главе диссертации приводите:- ".напитическая самосогласованная модель электрического поля ь высокоширотной ионосфере, Модель построена на основе решения уравнения Лапласа для потенциала с заданием распределения лроводимостей з виде набора п ~ концентрических окрунностей, изменение проводимости внутри каждой кольцевой зоны по долготе Л изменяется пропорционально л'ш Л . Решение, полученное аналитически, позволяет использовать рогшьно измеряемые •ятутниксвые дагаше по потокам частиц и продольклл токам для получения распределения электрического поля.

В заключении сформулированы основные результаты работы и даны рекомендации пс их практическому использованию.

1, Разработан, изготовлен и оеализозан >• спутниковом проекте "Интеркосмос-Болгария-IХ0" яшлерлтелышй комплекс-приборов ИЭСП для исследования электрических -голен в ионо.-фэрэ с заданной точностью. Проведен ынаиыз длняния эффектов

■ гкзния (солнечного г магнитного) олного иа 3-х нар зоэдов ча результаты измерений.

2. По результатам измерений алмидо-"¿оши долей на спутнике "Интеркосмос-Болгария-1300" исследована структура электрических полей (конвекции) в высокоширотной ионосфере и показано, что;

а) при смене знака В - >0 к Вг <. 0 система конвекции расширяется на более низкие широтн (на 6° - ?°) за характерное время = 10-15 иш , при обратной смене знака восстановление конвекции происходит за интервал'?' I час ;

б) при больших положительных МШ (В2 ~15 * 17 »Т ) конвекция в полярной шашсе представляет собой 2-3 -х вихревую систему с характерным масштабом ячейки I £ 2Ю00 км.

3. Разработана аналитическая модель электрического поля ■ в высокоширотной ионосфере, адаптированная к реально измеряемым данным по потокам высыпающихся электронов, продольным токам и позволяющая проводить расчеты распределения электрического яоля близкого к реальному.

Список пабот. опубликованных по томе диссертации.

1. Stanev G., Petrunova il* j Teodoaiev D., Kütiev X., Serafi.— mov E., Chapkunov S., Chujyrev V., Isaev N., Puschaev P., Pimenov I. Ли instrument for DC electric field and AC-ele-ctrio and magnetic field measurements aboard "Intercoaraoa-Bulgaria-1500" eatellite//Adv. Space Rea,- 1983. - V. 2„

- H 7. - P. ^3-4-7.

2. Цонев M. M., Станев Г.Л. Моделирование эффектов, связанных с влиянием магнитной солнечной теш от элементов конструкции спутника на результаты измерений электрических полей и потоков частиц//Косшчесга:е исследования. - 1988.

- Т. 26. - Вып. 4. - С. 731 - 738.

3. Тимофеев. Е.Е., Яхнин А.Г., Исаев II.В., Трушкина Ii.II., Ста-• нев Г.А., Яеллинен Р.й. Пространственные профили электрического поля и электронной концентрации в области регистрации аврорального рассеяния радиоволн//Геомагкетизм и аэрономия.-Х988.-т. 28.- с. 871-874.

4. Исаев Н.В., Яхнин Л.Г., Вшгеенко C.B., Чмырев В.М., Станев Г., Пеллинен Р., Теодосиев Д., Колосова 'Т.Н., Тельцов М.В., Лазарев В.Й., Тимофеев Е.Е.» ПеткоЕ Н., Трушкина 3JI., Школьникова С„И„ Сопоставление спутниковых измерений электрических и магнитных полей и потоков частиц с наземными геофизическими данными в раннем утреннем се::торе аврораль-

-ной зоны/УКосшгтескЕе исследования.-19870 -т. ■ 25.-вып. I. -с. 74-85.

5« Г.. ücasa H., Губсгаш В., Труикина Е., Станев Г.

¿taras® аашнязрггЕвакого поля на структуру глазного кокос-

форного провага//Космичоо..пе исследования, -I990.-t.28,- •-,-внп. ¿.-о. 23'.;-242,.

б. Iaaev II. V«, Gdalevich Gob., ÍSenkova N.P«, V.Guüslty,- E.P. Trushicina , В.P. Koxlov, N, X,Smorokin, Q.stane\, D.Teodo-3ievt T.Sanardjiov. Auroral elooirio field penetración into the middle-latitude trough//Adv. Space Res. -1987. ~v<. 7„ -II 8« ~p„ 597. Isaev И, V. s Yachnin A. G., 3iliciien_kO' S.V., Lazarsv V.I.,* Stanev G.A., Teodosiev O.K., Petkov if., Tlaoíoev B.B., Chaiyruv V.ivu A oomporicion of satellite ntoasureuu nta of alectric and magnetic fields and particle iiuxeo vith ground-baaed data//Adv„ Space Rod,, -1985. -N5. -p. 1d~ -107.

a, Isaev N.. Oaipov П., Iruahkina E., Stanev S. The struoture of plasma convection in the polar region and ita modeling . //XXVII COSPAR meeting, Espoe Pinbuid, July 1988, Abstracta, -с. 1. 3. 6. -p. 525.

9. luaov \',V,. Stanev 0. A. Kathercaticej nodal of the electric fiela in the nigh - lasitud* ioncQphor8//XZVIII'COSPAR me-eiÍTi¿¡ Надое, Netherlands, July Abstracts, -Ив 3P.10

ХО.У.саеи H.a. r Стднев Г.а» , Осяг.-з i!.... Электрическое поле в аксокоаиротно?- коносфере пр>" положительных В МШ

по данным измерения на ИСЗ "¡¡итеркоомое-Болгария-ХЗОО"// Болгарский гео&яз. журнал. -i-VSi. -т. 17. -ÍS X, с»43-5§.

И.Станез Г.А., Исаев Н.Б. Аналитическая модё'Ль электрического .ноля а аысскоашротло« ííohcu>v- -!1роцринт ИЗ,»Е?АН, Jí 17 (964), ;.í, Е ÍU9T, С. 16.