Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Ультранизкочастотные электромагнитные возмущения, генерируемые в нижней области ионосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Ультранизкочастотные электромагнитные возмущения, генерируемые в нижней области ионосферы"

г г и ОД

2 5 И да

На правах рукописи Яшенко Алексей Кириллович

УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМЫЕ В НИЖНЕЙ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ

04.00,23 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, иокгн феры и распространения радиоволн Российской Академии Наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

дою ор фншко-ма гема т ических наук Сорокин В. М.

доктор фи «ико мшьматнчсскнх наук ирофьчеор Дсмнкон М. Г.

до кт ор ф 113 и ко -ма I емати чес к их наук Коалой С. И.

Ведущая организация:

Институт космических исследований РАН

Защита диссертации состоится 28 ноября 2000 г. в /^чаеов &1шнут на заседании диссертационного совета Д 002.83.01 в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук но адресу: 1421ЭД, г. Троицк, Московской области. С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке ШМУРАН Автореферат разослал ^О^ЯЗ^рЗ^^ Учений секретарь диссертационного совета

докч ор фиэикс-мдг« матичееккк наук Коломнйцев О. П.

-/¿О

I. Общая характеристика работы.

1.1 Актуальность темы исследования.

колебания электромагнитного ноля в диапазоне период о о от долей еекуНдЫ до десяткой гскунд, пызшшные различными лсто-шнкамм в околоземном космическом пространстве, наблюдаются как в ионосферо гак и на поверхности Земли. Такими источникам}; являются; лгогн.чгосферныг процессы, приводящие к генерации геомагнитных пульсации; взрывная жекцпя легко ионизуемых веществ зо время активных экспериментов; шп-денствж; на ионосферу импульсных потоков понтирующею излучения солнечных вспышек и высотных ядерных взрывов; различные процессы в приземных слоях атмосферы (землетрясения, извержения вулканов, ураганы н. т. п.). Наземные наблюдения геомагнитных колебаний с периодами десятки секунд..генерируемых как мог.ттосферными источникимн геомагнитных пульсаций, так и взрывными процесса«!! в атмосфере, обнаружили смещение фазы с увеличением расстояния соответствующее горизонтальной фазовой скорое г.>i ь десятки км/с. Одним из возможных объяснении смещения фазы колебаний вдоль земной поверхности явл'лется движение магиигсеферного источника с горизонтальной скоростью этой фазы. Однако. подобную модель невозможно использовать для объяснения фазовых сдвигов колебании, которые генерируются атмосферными и ноносферны-Ш источниками. Сре.чи различных типов возмущений, регистрируемых на Земле fiü вре\<я солнечных вспышек можно ныделшь затухающие колебания шгнШного ноля с периодом порядка t - \(t Возмущения сходкою tuna регистрировались и »о время космических ядерных взрывов. Эти возмущения связаны с поглощением в шг/а!еГ: области ионосферы ионизирующего излучения в диапазоне oí ультрафиолета до рентгена. В зона;: б6л(г.Щ эпицентров готовящихся землетрясений может наблюдаться воз-

растание электромагнитных осцилляции шумового характера в ультранизкочастотном (УЫЧ) диапазоне 0.01-10 Гц. Для объяснения этого явления предложены механизмы образования источников этого излучения, которые расположены в литосфере и связаны с процессами подготоьк-и зомлетрчее-ний. В то же гремя, обнаружено появление подобных узкополосных геомагнитных колебаний а УКЧ диапазоне, сопсовождмомих метеорологические процессы ь нижней атмосфере (такие как ураганы), в которых лито-сферные источники отсутствуют. Сущее гвующии разрыз между накопленным массивом, данных по ультра низкочастотным электромагнитным полям, наблюдаемым на поверхности Земли >1 в ионосфере и уровнем теоретических исследований процессов их генерации н распространения определяют актуальность работы.

1.2 Цель и -.¡"дачи диссертационной работы.

Целью работы я&лястся теоретическое исследование механизмов генерация ультрэнизкочастотных электромагнитных Еозмущений в нижней области ионосферы различными источниками как естественной, так и тех? ног^нной природы и интерпретация на их основе экс1:срнм$||ТЗД1>"МХ данных.

1.3 Научная новизна работы.

Исследован процесс генерации и распространения электромагннт-

ни.с возмущений в ионосфере осеснмметричным импульсным током с уче^ том эффекта Холла.

Обоснован ионосферный механизм горизонтального распростране-ш геомагнитных возмущений в диапазоне пульсаций Р12.

Разработай новый физический механизм генерации колебании геомагнитного поля с периодами от единиц до деся:.м;ь секунд импульсными

источниками ионизирующего излучения при их воздействии на нижнюю область моносферы.

Разработан новый физический механизм генерации УНЧ-осцилляций в нижней области ионосферы, регистрируемых на поверхности Земли, о результате усиления квазистгщионарнсго электр;иес::ого ноля.

1.4 Основные положения, выносимые на защиту.

1. На высотах ниже 120 км импульсные кольцевые и радиальные токи излучают в узкий конус «округ направления геомагнитного поля ■электромагнитные волны в спектральном диапазоне едииицы-дееятки Гц, распространяющиеся с дисперсией и слабым поглощением.

2. В нижней области ионосферы средних к низких широт а спектральном диапазоне геомаг нитных пульсаций П-2 киашгармоиический члектос-магннтный импульс распространяется в горизонтальном направлении со слабым затуханием и изменением фермы со скоростью, составляющей десятки км/с.

3. Падение импульса ионизирующего излучения на нижнюю области ионосферы приводит к генерации затухающих электромагнитных колебаний п спектральном диапазоне едижщы-дегятки секунд. С увеличением эффективной температуры излучения уменьшается период и декремент затухания колебаний.

4. Усиление электрического поля в нижней ионосфере в средних к низких широтах приводит к генерации узкополосного спектра элек геомагнитных колебаний на поверхности Земли в диапазоне частот 0.1-10 Гц.

1.5 Научная и практическая значимость работы. •

Расчеты генерации' электромагнитных возмущений осегимметрич-ным импульсным током в нижнем области ионосферы могут быть исполь-

зованы для интерпретации результатов активных экспериментов в космосе, а также оценки возмущений электромагнитной обстановки, вызванных штатным и нештатным режимами функционирования космических аппаратов.

Модель ионосферного распространения низкочастотных геомагнитных возмущемнй позволяет интерпретировать данные наблюдений фазовых едпигов пульсаций типа 142.

Модель генерации колебаний геомагнитного поля и результате крупномасштабною во1м>1цсн1ш ионосферной проводимости позволила интерпретировать ряд существенных характеристик короткоиериодных пульсаций, наб'подлсмы.ч но гремя солнечных вены/лек-. Ее можно использовать в качестве физической основы дня создани* метода контроля п диагностики источников ионизирующего излучений в космическом пространстве.

Новый физический механизм генерации УНЧ-колебаиий следует принимать но внимание при интерпретации эффекта роста шпенсивности УМЧ-шлпкшмй, сопровождающего геофизические процессы различной природы, которые связаны с усилением кназисчационарного злектрическо-К) цщя в нижней области ионосферы. К ним могут относи ;ься процессы подготовки землетрясений, ураганы, тропические ийфуны и 1.н.

1.6 Апробация работы.

Результаты работы докладывались на: 5 симпозиуме КЛПГ по солнечно лпюй физике, Самарканд, 1989 г ; 9-й международной (летней) школы - симпозиума "Современная химическая физика", Туапсе, 1996 г.; Международной конференции "Технологии мониторинга договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Роль ц место национальных центров данных в международной системе мониторинга". Москва. 13-17 Мая 1996 г.; Международном симпозиуме 'Мониторинг и обнаружение под-

земных ядерных взрывов и землетрясений". Л!ссхва. 17-21 Ноября ¡997 г.; International Workshop on Scisir.o Electromagnetics, Tokyo, 1997; 32nJ Scientific Assembly of COSl'AR. Nagoya, Japan, 1998; V/orkchop on the Micro-satellite DEMETER. Detection of Elcctro-Magnctic -. Emission • Transmitted from Earthquake Regions. Orleans. f ranee, 1999: International Workshop on Seisrno-Elec*rdmagnt;tics • of' NASDA. Tokyo, Japan. 19-22 September 2000; Семинарах в B11ИИОФИ. ИПГ; ИЭМ» П'ЛН. '

1.7 ПуГпиК'ЛЦНИ.

Основные научные положения диссертации опубликованы в lS nv>;;ai-, ных работах. • .

1.8 Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из »ведения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем 162 е., рисунков • 32, библиография - 102 названий.

"2. Содержание работы.

2.1 Введение.

• ' Проведен анализ состояния исследований н области низкочастотных электромагнитных возмущений в 'ионосфере, который свидетельствует о следующем.

Многочисленные данные наблюдения на поверхности Земли и в ионосфере позволяют сделать вывод»о том, что ряд процессов, протекающих в различных областях околоземного пространства, стимулируют УНЧ колебания электромагнитного п ля. Источники этих колебаний Л'огуг находиться з магнитосфере, ионосфере н атмосфере. Обзор данные наблюдения УНЧ колебаний, полученных во время магнитосферных процессе», ак-

гинныХ эксперимента»,' солнечных вспышек, высотных яде ных взрывов, землетрясений, позволял предположить, что рассматриваемые электромагнитные воз и у ¡ц-лш я формируется этими источникам»» и распространяются и горизонтальном направлении з нижней области ионосферы. Анализ теоретических исследований электромагнитных волн в ионосфере в рассматриваемом .частотном диапазоне позволил оыяпить проблемы в интерпретации меперимекталышх данных и сформулировать задачу диссертационного исследования.

Сформулированы основные положения, выносимые на защиту и кратко охарактеризовано содержание диссертации по главам.

2.2 Первая глава.

В главе I проведен анализ результатов наблюдений низкочастотных '¡ле/промапп¡ пшх возмущений в нижней области моносферы.

Результаты наблюдений электромагнитных возмущений при взрыв-нон иижекцнн лггкоионизуемых элементов о нижней области ионосферы позволяют сделать следующие выводы:

• электромагнитные возмущения наблюдаются вне области охваченной ударной волной или разлетающимся плазменным образованием. что свидетельствует о формировании токов, служащих источником электромагнитного возмущения, распространяющегося и ионосферной плазме;

- импульс излучаемого г.олл может сопровождаться его осцилляцией с частотой 1-100 Гц;

- возмущения канализируются вблизи силовых линий геомагнитного Г! оля.

В настоящее премя считается, что одной из возможных ьричин воз-щшювсьия пульсаций в с|«дни>: и низких широтах является их раенро-

странение нз авроралыюй ¿оны путем растекания токоо в ионосфере. По данным станций, расположенных в средних широтах, было показано, что как пульсации Р12, так и уст0114иные колебания распространяются вдоль земной поверхности с фазоаой скоростью порядка десятков км/с. 8 ряде работ было показано, что механизм их распространения включает а себя как магнитосг|ерное, так и ионосферное распространение колебаний.

Кроме пульсаций, имеющих магнитосферное происхождение, обна-

Колсбл.1!!.'.*! ГСО}*'ЛУ!!!УП'Г'УО ^'У':? Н 'ПОИЛ <Г.П-' нернлтАЦ 1 - ] О* с. П.'),"-

пространяющиеся вдоль земной поверхности со скоростью порядка десятков км/с, которые связаны с землетрясениями. В ряде работ было показ?,ко, что пульсации представляют собой магнитное поле гирогропной колны, генерируемой во время землетрясения и распространяющейся в нижней области ионосферы. Из факта совпадения скоростей з одном и том же интервале периодов магшггосферных пульсаций и пульсаций, генерируемых во время землетрясений, можно предположить, что ионосферные.эффекты их распространения имеют одну и ту же природу..

На основе анализа большого числа экспериментальных данных ^установлено, что з спектре геомагнитных пульсаций, регистрируемы:: »о зре.мя солнечных вспышек, наблюдаются три максимума с периодами -40, Я0т( 300 с. "В ряде работ предложены различные механизмы генерации таких-геомагнитных пульсаций. Считается,' что наиболее короткопериодные пульсации непосредственно связаны с быстрыми изменениями концентрации заряженных частиц з нижней области ионосферы вследствие флуктуации потока рентгеновского излучения вспышки". Пульсации с периодами ~1 мин могут быть откликом магннтосфериого резонатора на резкое изменение проводимости ионосферы под действием вспышки. Низкочастотные пульсации, вероятно, обусловлены акустограаитационнмми волнами, генерируемыми импульсным выделением тепла возмущенными солнечной

вспышкой токами. Эги данные свидетельствуют о суи ственной роли ионосферы а формировании геомагнитных пульсаций во время солнечных »сгшшск.

Согласно данным, приведенным в ряде работ, в зонах вблизи эпицентров готовящихся землетрясений может наблюдаться возрастание электромагнитных осциллчинй шумопого характера в УНЧ диапазоне (Г=0.01-10 Гц). Существуют данные, согласно котором рост УНЧ-шумоа в диапазоне 0.01 -5 Гц наблюдался приблизительно за 10 дней до землетрясения с мапттудон М-7 на расстоянии около 50 км от его эпицентра. При этом амплитуда шлмушения составляла 50 - 100 % от среднего невозмущенного уровня шумов. Для объяснения этего явления предложены механизмы образования источников этого излучения, которые расположены в литосфере и связаны с процессами подготовки землетрясений.

2.3 Вторая глава.

В первом разделе главы 2 получена одномерная импульсная функция расгцюстранекня низкочастотных волн в однородной ионосферной плазме под произвольным углом к направлению внешнего магнитного поля, Эта функция получена в аналитическом виде и наиболее обшей постановке задачи. Полученные результаты дают возможность выразить характеристики с гнала через параметры ионосферы я исспедовать основные закономерности его распространения.

В качестве примера, рассмотрены закономерности распространения импульса электрического толя, генерируемого поверхностным сторонним током, временная зависимость которою представляет собой функцию включения. Показано, что вследствие гиротропии среды временные зависимости компонент электромагнитного возмущения имеют не диффузной-

иый, а осциллирующий характер. Характерный период колебаний п сигнале зависит от расстояния.

Таким образом, импульсное воздействие в'плазме нижней области ■'■ ионосферы приводит к распространению сигнала, основные характеристики которого формирует среда. При этом хйлловская проводимость определяет осциллирующий харакгср импульса, а форма огибающей определяется проводимостью Педерсена. Период осцилляций возрастает с увеличением расстояния и угла между направлением распространения и магнитным нолем. Его величина определяется проводамост.чмп Холла и Педерсена и находится в пределах от десятых до единиц секунд . ''.

В реальной ситуации, однако, излучателем.является сосредоточенная токовая система. Во втором разделе главы 2 рассмотрено низкочастотное , электромагнитное излучение импульсных аксиально-симметричных токов в ионосфере при произвольном соотношении между нроводимостями Холла и Педерсена.

Было получено общее решение системы уравнений, определяющих электромагнитное возмущение в виде свертки ииггульсноП функции и рас-, пределеиня стороннего тока. Элементы матричной импульсной функции выражаются в виде двукратных интегралов, представляющих собой обратные преобразования Фурье и Ганкедя; Эти элементы оказывается возможным представить а виде разложений в бесконечные сходящиеся ряды, выражения для коэффициентов которых имеют вид рекуррентных формул

Данное представление решения оказывается удобным для проведения расчетов с использованием пакета символьных вычислений Maple. В качестве примера было рассчитано распределение полей, создаваемых тонким импульсным кольцевым током. Результаты расчетов качественно согласуются с результатами, полученным;: для одномерного, pacripoctpa-

• нС:мкн импульса пол углом к'геомагнитному полю. Их можно кратко суммировать в следующих утверждениях.

1. Импульс вопи распространяется ьнутри конуса (0< 8 5 10° - 20° ) с осью, направленной вдоль геомаппггного поля. -

2. С унелпчеъием угла осцилляции исчезают и поле распространяется в виде одноио,-»яркого диффучьонмого импульса.

3. Импульс представляет собой волновой пакет, частота наполнения которого) убывает: со временем.

А. Характерная групповая скорость и длительность волнового пакета и частота его нэдел^нил увеличиваются при уменьшении угла между направлением распросгрансния геомагнитным полем. Для ионосферной плазмы чистота осцилляции в импульсе лежит в диапазоне от единиц до нескольких се'гсн Герц. Скорость распространения монотонно падает при удалении'от источника ь интервале десятки-сотни км/с. 5. Распространение огибающей волнового пакета подчиняется законам днффуши.

к'е зулмйты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при регистрации лаектрома'нитных эффектов во время взрывных инжекциП легко неннзуемых элементов в ионосферной плазме. Показана, что наблюдаемые характеристики электромагнитных.возмущений, так"- как: к ¿полирование вдоль магнитного поля, наличие осиилля-ци.й, спектральный интервал, характерные величины фазовой и фупповой скорости могут быть интерпретированы на основе полученные результатов.

2.4 Трйья глава.

Влияние ионосферы на свойства электромагнитных вмзмущ^ннй в диапазоне геомагнитных пульсаций РЙ как показано в ряде работ, зэклю-

чается в переносе токов, возбуждаемых магннтосфермым источником и соответствующих им колебаний геомагнитного поля р ниткне широты в виде гнротропных волн (ГВ). Эти волны, распространяются »тонком слое нижней области ионосферы вдоль поверхности Земли в низких и средних широтах со слабым затуханием и фазовыми скоростями дсситки-сотнн км/с. Расчет пространственно-временного распределения поля геомаппгг-ных пульсаций в проведен без учота поглощения для случая продольного по отношению к магнитному полю распространения полны, генерируемой горизонтальным линейным током с ьрсмсЛной зависимостью а ладе 5-функцин.

Было проведено исследование закономерностейраспространения п средние широты цуга колебаний геомагнитного поля, связанных с ГВ в Е-области ионосферы, с учетом влияния угла наклона геомагнитного поля и проводимости Педерсена на характеристики распространения пульсаций Р12, генерируемых линейным током, зависимость от времени которого носит колебательный характер. Для решения уравнений, определяющих низкочастотные электромагнитные возмущения в слоисте-нсоднородной ионосфере был использован метод, заключающийся п интегрировании уравнении для электрических полей по толщине проводящего слоя Такой подход позволяет получить граничные условия, связывающие величину касательной компоненты электрического поля в слое и скачок се вертикальной производной при переходе через слой. Была использована модель ионосферы в виде двух слоев с различным типом проводимости: верхний слой с проводимостью Педерсена, а нижний-с проводимостью Холла. Это предположение позволяет разбить систему уравнений, определяющих электрическое поле на две системы уравнений, каждая из которых описывает поля в соответствующих слоях. .

Тлкнм образом, скачок производной касательной компоненты электрического ноля при Г'ере ходе через ионосферу определяется двумя параметрами: интегральной проводимостью Педерсена н интегралом от квадрата проводимости Холла. Подстаьлчя в полученные граничные условия рс 1н'мик уравнений для электрического поля выше и ниже слоя, можно получить дисперсионные характеристики гиротуопных волн и рассчитать пони, генерируемые стоянии.ми источниками тока. Фазовая скорость волн составляет десятки км/с, убыьая с ростом периода. В диапазоне П2 отно-стелыюе потащите мало, составляет величину 0.1-0.01 и убывает с ростом периода. Влияние идеально проводящей Земли приводит к увеличению .длины проникновения поля и к увеличению фазовой скорости.

Было рассмотрено распространение квазигармонического сигнала с параметрами, характерными для пульсаций типа Р12. Показано, что огибающая квазигармоннческого импульса поля распространяется с группо-иой скоростью, экспоненциально убывая по амплитуде и слабо искажаясь по форме. Фаза распространяется со скоростью, превышающей групповую. Влияние идеально проводящей Земли на характеристики квазигармонического импульса сводится к увеличению яшишгуды и фазовой скорости по сра/шеншо со случаем непроводящей Земли. При этом групповая скорость меняется м,гло.

Рассмотрена (раздел 3.3) возможность электродинамического моделирования крупномасштабных эффектов растекания токов в ионосфере высоких широт. Проведен гна;;нз уравнений, описывающих токи и поля в системе мапштосфера-ионесфера - проводящая Земля. Подучены безразмерны'; параметры на основе которых выведены критерии подобия. С помощью масштабных преобразований показана возможность исследования методами аналогового моделирования эффектоз распространения ионосферных юкоа в лабораторных условиях. На лабораторных установках

смоделированы вариации магнитного поля, сопровождающие распростри нение токов. Проведены расчеты импульсных функций этектрнчсского и магнитного поля, которые сопоставлены с измерениями на моделирующие установках.

2.5 Четвертая глава.

Один из механизмов генерации геомагнитных пульсаций связан с локальным изменением ионосферной проводимости в присутствии внешнего электрического поля. Такой механизм рассмотрен в ряде работ для процессов с характерными периодами Г >10 с. Для таких периодов-можно пренебречь полем магнитознуковой волны по сравнению с полем направляемой волны. С уменьшением периода роль магнитозвуковой волны в формировании геомагнитных пульсаций возрастает. В четвертой главе рассмотрена генерация короткоиериодных колебаний геомагнитного поля при возмущении проводимости в результате излучения магкитозвуковой волны. Для анализа электромагнитного эффекта мапштозвукопон волны выбрана модель однородного ь горизонтальном направлении возмущения проводимости ионосферы. Б реальной ситуации зта модель применима для анализа эффектов генерации короткоиериодных геомагнитных пульсаций з результате крупномасштабных п горизонтальном направлении ионизирующих воздействий на нижнюю область ионосферы. К ним относятся, например, ионизирующие излучения солнечных вспышек, 'высотных ядерных взрывов, авария* на космических ядерные установках. В рагделе 4.1 получена и проанализирована физическая модель генерации геомагнитных пульсаций в плоском слое Земля-ионосфера с нестационарной ионосферной проводимостью в вертикальном геомагнитном поле. Показано, что г,ри крупномасштабном в горизонтальном направлении импульсном возмущении проводимости з присутствии внешнего зяекгриче-

ского поля происходит генерация геомагнитных колебаний. Уравнение, определяющее геомагнитное возмущение на поверхности Земли было получено с использованием метода граничных условий на топком проводящем слое. Как следует из уравнения, временная зависимость компонент возмущения магнитного пол« носит характер затухающих колебаний. Диапазон периодов колебаний составляет единицы-десятки секунд. Амплитудно-временные характеристики сигнала определяются возмущением интегральных проводпмостсй ионосферы. В зависимости от соотношения между холлов*, кой и педсрсенопс:<оГ; интегральными прозоднмостями поз-мущецной ионосферы может наблюдаться осциллирующий и апериоднче-ский режимы магнитных возмущении. Для сильных возмущений проводимости ионосферы амплитуда пульсаций может достигать 100 нТл.

Дальнейшее развитие рассматриваемая теория генерации пульсаций получила в Разделе 4.2, для произвольного угла наклона геомагнитного поля к ионосфере. Это позволило исследовать широтную зависимость характеристик геомагнитных возмущений. Показано, что период колебаний убывает с ростом широты, а затухание колебаний минимально в области средних широт.

Рассматриваемая теория применена для интерпретации начальной фазы геомагнитных возмущений, наблюдавшихся во время проведения космического ядерного взрыва Starfish. Во время его проведения были зарегистрированы геомагнитные возмущения в широком диапазоне периодов на эпицентральных расстояниях тысячи км. Амплитуда возмущений достигала десятков нТл. Первоначальный всплеск геомагнитного поля наблюдался на поверхности Земли практически одновременно на обсерваториях, расположенных друг от друга ка расстояниях в тысячи км. Сигнал представлял собой затухающее колебание с периодом 2 сек и длительностью 10 сек. Ионизирующее излучение взрыва, поглощаясь аналогично из-

лучению солнечной вспышки в нижней области ионосферы/приводит к колебаниям геомагнитного тюля На поверхности Земли..

2.6 Пятая глава.

В Главе 5 рассмотрен новый физический механизм генерации У НИ* осцилляции на поверхности Земли в результанте усилен.л..^ыкииционар-ного элегического поля в ионосфере. Этот механизм основ.!» нз генерации гнротропных волн в нижней области ионосферы шумовым л«.*-тромагнитным полем в присутствии горизонтальных неоднородное гей ее проводимости. Эти волны, рассмотренные, в частности, в Главе .> распространяются в тонком слое нижней области ионосферы здоль поверхности Зеули в ншких и средних широтах со слабым затуханием и фазовым и скоростями десятки - сопит км/с.

В ряде работ обнаружен значительный рост электрического поля и ионосфере и показана его связь с процессами подготовки землетрясений. Было показано, что рост электрического поля приводит к образованию квазниериоднческих неоднородностей проводимости нижней области ионосферы с горизонтальным масштабом порядка 10 км и формированием плазменных слоев, ориентированных вдоль геомагнитного поля. Флуктуации плотности плазлгы при пересечении спутником плазменных слоез, также наблюдались в ряде робот.

Различные источники электромагнитного излучения генерируют электромагнитный шум н диапазоне УНЧ - колебаний и геомагнитных пульсаций. Под действием »тою шума в областях горизонтальных неоднородностей ионосферной проводимости возникают поляризационные токи, которые являются источниками ГВ. Как следует, например, из результатов главы 3, длина полны ГВ г. УНЧ диапазоне составляет, по порядку величины, десеткт км, что примерно совпадает с характерным просранствеиным

Г 8

масштабам неоднородности проводимости. Следовательно, условие фазового синхронизма ГВ, излучаемых на горизонтальных неоднородностях ионосферной проводимости выполняется на частотах УНЧ-диапазона. Интерференция ЭТИХ ВОЛН ПрНИОДИТ К формированию уЗКОПОЛОСНОГО ОЛСКг тромьгнитного излучения на поверхности Земли с характерной частотой порлдка 1-10 Гц.

Для иллюстрации предложенного механизма образования узкополосного излучения в разделе 5.1 была рассмотрена модель генерации гиро-тропных волн, распространяющихся вдоль, горизонтального геомагнитного поля в тонком плоском проводящем слое ионосферы в результате рассеяния фонового электромагнитного поля на горизонтальном квазиперноди-ческом.возмущении ионосферной проводимости, ориентированном поперек геомагнитного поля. Для простой модельной формы опшающей возмущения проводимости в виде экспоненциальной функции получена ана-. литнчесхая формула для относительного, изменения спектра геомагнитных возмущений на поверхности Земли..

Результаты расчетов качественно соответствуют экспериментальным : данным регистрации УНЧ осцилляции на поверхности Земли, полученным . в сейсмически активных регионах во время подготовки землетрясений.

В разделе 5.2 рассмотрены некоторые возможные механизмы возрастания квазистатпческого электрического поля в слое Земля-ионосфера, приводящего, согласно разделу 5.1 к росту УНЧ-возмущений на поверхности Земли. Это возмущение связывается с изменением атмосферного тока, протекающего между ионосферой и Землей. Две причины приводят к такому изменению. Одна из них сяя ^ана с изменением проводимости при-. \ земных слоев атмосферы в результате ее ионизации при увеличении уровня атмосферной радиоактивности. Вторая причина связана с образованием вертикального стороннего тока под действием электродвижущей силы в

результате выброса заряженных аэрозолей и их турбулентным переносом в вертикальном направлении. Подобные процессы могут возникать в районах повышенной сейсмической активности при подготовке землетрясений, а также сопутствовать ряду других геофизических и метеорологических процессов в нижних слоях атмосферы (таких как, извержения вулканов тропические штормы, ураганы).

Рассмотрено везмушение проводимости н элекгрического ноля з атмосфере Земли под действием повышения уровня атмосферной радиоактивности в приземных слоях. Показано, что увеличение проводимости, связанное с дополнительной иижекцней радиоактивных элементов в приземную атмосферу приводит к росгу величины атмосферного тока. В результате этого возрастает электрическое поле в нижней ионосфере, где проводимость остается практически неизменной. Проведены расчеты высотного распределения прооодимости и электрического поля. Из них следует, что электрическое поле вблизи поверхности Земли уменьшается из-за роста атмосферной радиоактивности, а на больших высотах увеличивается по сравнению с незозмущенным состоянием. При увеличении уровня атмосферной радиоактивности в 2 - 4 раза у поверхности Земли электрическое поле в нижней ионосфере возрастает в 1.6-2 раза.

Получено вертикальное распределение атмосферного электрического поля при возникновении сторонних токов у поверхности Земли. Рассмотрен один из возможных механизмов формирования сторонних токов-нкжекция заряженных аэрозолей и их вертикальный турбульнтный перенос. Получено уравнение, определяющее сторонние токи. Найдена связь вертикальной компоненты электрического доля в нижней ионосфере и на поверхности 'Земли. Показано, что если нэ поверхности Земли отрицательная компонента поля возрастает, то в нижней ионосфере она убывает и даже .может изменить знак. Ерш на поверхности Земле отрицательная ;<о;><-

понента поля убывает или меняет знак, то в нижней ионосфере поле возрастает, оставаясь направленным вниз.

2.7 Заключение.

В заключении сформулированы основные результаты исследований. На высотах ниже 120 км аксиально - симметричные радиальные и кольцевые импульсные токи излучают в узкий конус вокруг направления геомагнитного поля электромагнитные волны з спектральном диапазоне единицы-десятки Гц, распространяющиеся с дисперсией и слабым поглощением, основные характеристики которых формирует среда. При этом холловская проводимость определяет осциллирующий характер импульса, а форма огибающей определяется проводимостью Педсрсена. Период осцилляции возрастает с увеличением расстояния и угла между направлением распространения и магнитным полем. Его величина определяется проводимостя-мн Холла и Педсрсена.

Показано, что электромагнитные возмущения в диапазоне пульсаций Р)2 могут переноситься в низкие широты гиротролными волнами в нижней области ионосферы. Рассчитано пространственно временное распределение поля геомагнитных пульсаций на поверхности З'-мли, генерируемых горизонтальным линейным током, зависимость от времени которого носит колебательный характер. Проанализировано влияние на характеристики сигнала угла наклона геомагнитного поля и проводимости Педерсена. Поглощение, связанное с этой проводимостью приводит к убыванию амплитуды сигнала, мало влияя, как и дисперсия, на изменение формы его огибающей. Фазовая скорость убывает с увеличением периода и утла наклона геомагнитного поля. Влияние идеально проводящей Земли сводится к.увеличению длины проникновения волны и ее фазовой скорости.

В результате излучения мапштозвуковой волны при крупномасштабном в горизонтальном направлении возмущении проводимости нижней области ионосферы в присутствии внешнего электрического поля возможна генерация колебаний геомагнитного поля в диапазоне периодов едини- -цы-де^ятки секунд. Амплитудно-временные характеристики сигнала определяются возмущенном интегральных проводимостеи ионосферы. В зависимости от соотношения между холловской н педерсенсвской пнтефаль-ными проводимостями возмущенной ионосферы может наблюдаться осциллирующий и апериодический режимы магнитных возмущений. Для сильных возмущении проводимости ионосферы амплитуда пульсаций может достигать ~!0? нТл. Период пульсации убывает с увеличением широты. Затухание минимально в средних широтах. Таким образом, всякая, даже не периодическая, флуктуация ионизирующего потока во время солнечной вспышки сопровождается осциллирующими геомагнитными пульсациями, формируемыми а слое Земля - ионосфера. Подобная возможность подтверждена в результате успешного применения теории для интерпретации результатов измерения геомагнитного поля во время импульсной ионизации ионосферы во время проведения высотного ядерною ■взрыва 51агЯяп.

Предложен новый механизм формирования УНЧ излучения на поверхности Земли в сейсмически активных областях. Он связан с образованием горизонтальных неоднородностей проводимости ионосферы п результате неустойчивости акустограпигашюнных волн, связанной с ростом электрического ноля. Различнее естественные источники электромагнитного излучения генерируют электромагнитный шум п диапазоне УПЧ и геомаг-ншных пульсации. Лед действием этого шума на горизонтальных и^одно-редкостях ионосферной проводимости с пространственным масштабом 10 км наводится поляризационные токи, которые являются источниками гя-

ротропных волн. Генерация и распространение этих волн приводит к формированию узкополосного электромагнитного излучения на поверхности Земли с характерной частотой порядкз 0 1 - 10 Гц.

3. Список работ, опубликованных соискателем ло теме диссертации

1. Васильев В. В., Кутиков А. А,, Сорокин В. М., Ященко А. К. О возможности моделирования эффектов растекания токов в полярной ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. № 2, С.230-23'6.

2. Сорокин В. М., Яшенко А. К. О влиянии поглощения на распростраченн-гиротропных волн в нижней ионосфере, генерируемых квазигармоническим источником // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1987. Вып. 81. С.72-79.

3. Сорокин В. М., Ященко А. К. Распространение пульсаций Pi2 в нижней ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 4. С.655-660.

4. Сорокин В. М., ЯшенлО А. К. Генерация короткопериодных электромагнитных колебаний в результате импульсных возмущений проводимости высокоширотной ионосферы // V симпозиум КАПГ по солнечно-земной физики. Самарканд. 2гб Октября 1989 г. С. 46.

5. Сорокин В. М., Ященко А. К. Генерация короткопериодлых колебаний геомагнитного поля в результате крупномасштабных возмущений проводимости ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30. № 3. С.425-428. -.' -

6. Сорокин В М., Ященко А. К. Распространение импульсов низкочастотных электромагнитных волн в ионосферной плазме // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1992. Т. 35 № 5. С.375-380.

,7. Г/гоп Ю. В., Сорокин В. М., Ященко А. К. Генерация геомагнитных пульсаций в системе Земля-ионосфера нр"и импульсном воздействии на

нее солнечных вспышек // Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33. № 4. С.79-85.

8. Сорокин В. М., Ященко А. К. О возможности использования наблюдений геомагнитных пульсаций в системах контроля ядерных взрывов // Международная конференция "Технологии мониторинга договора о всеобъемлющем запрещении ядерных нспитачий. Роль и место национальных ценгров данных в международной системе мониторинга", Москва, 13-17 Мая 1996 г. С. 55.

9. Sorokin V М., С h my rev V. М., Isaev N. V., Yaschenko А. К. Earthquake Precursors in the Ionosphere: Recent Experimental and Theoretical Results H International Workshop on Seismo Electromagnetics, Tokyo, 1997. Abscracis. P. 82.

¡0.Сорокин П. M., Чмырез В. M.. Синельников В. М„ Ященко А. К. Физическая модель космического мониторинга подземных ядерных взрывов н предвестников землетрясений // Международный симпозиум "Мониторинг и обнаружение подземных ядерных взрывов и землетрясений", Москва, ¡7-2111оября 1997 г. С. 12.

11.Sorokin V., Yaschenko A. Electrical Field Disturbances in The H?.rOi-■ Ionosphere Layer >! 32r": Scientific Assembly of COS PAR, Nagova, 12-19 July 1998. P. 157-160.

!2.CopoKUH В. M., Ященко Л. К. Возмущение электрического поля над очагом готовящегося землетрясения // Труды 9-й международной (леткей) школы-симпозиума "Современная химическая физика". М.:МГУ, 1.993. С. 125-130.

13. Sorokin V. М , Chmyrev V. М., Yaschenko А. К. Electrodynamic model tf the atmosphere - ionosphere coupling related to seismic activity // Workcbup on the Micro-satellite DELETER." Detection of Electro-Magnetic Emission

• Transmitted from Earthquake Regions, Orleans, France. 1999. Abstracts. P. 4647.

14.Сорокин В. M., Ященко А. К. Возмущение проводимости и электрического поля в слое Земля-ионосфера над очагом готозящегося землетрясения //Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 2. С.100-106.

l5.Sorokin V., Yaschenko A. Electrical Field Disturbance in the Earth -ionosphere Layer// Adv. Space. Res. 2000. V. 26. № 8. P.I219-1223.

16;Sorokin V. M, Chmyrev V. M., Yaschenko Л К. Ionospheric Generation Mcchanism of Seismic Related ULF Magnetic Pulsations Observed on the Earth Surface // International Workshop on Seismo-Electromagneticj of NASDA. Tokyo, Japan. 19-22 September 2000.

1?.Сергеев И. Ю., Сорокин В. М., Ящекхо А. К. Низкочастотное излучение ", осесимметричлого тока а ионосферной плазме И Изи. ВУЗов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 3. С. 920-933.

15.CopoKmi В. М., Ящигко А. К. Возмущение квязисгацконарного элекчрн-ческого поля в атмосфере над сийсмоактивиымк районами // Химическая

Ч физика. 2000! Т. i9. Jfc 6. С. 55-63.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ященко, Алексей Кириллович

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ ОПИСАНИЯ.

1.1 Наблюдение низкочастотных электромагнитных возмущений в экспериментах по инжекции легкоионизуемых элементов.

1.2 Результаты наблюдения на поверхности земли пространственно-временного распределения геомагнитных пульсаций.

1.3 Наблюдения низкочастотных электромагнитных возмущений, сопровождающих солнечные вспышки и высотные ядерные взрывы.

1.4 Результаты наблюдений электромагнитных возмущений УНЧ-диапазона, связанных с интенсивными процессами в нижней атмосфере.

1.5 Основные уравнения для низкочастотных электромагнитных полей в слабо ионизованной плазме.

ГЛАВА 2 ГЕНЕРАЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ В НИЖНЕЙ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ.

2.1 Распространение низкочастотных электромагнитных импульсов в слабоионизованной плазме.

2.2 Низкочастотное излучение осесимметричного тока в нижней области ионосферы.

ГЛАВА 3 РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ТОНКОМ ПРОВОДЯЩЕМ СЛОЕ.

3.1 Ионосферный механизм распространения геомагнитных пульсаций вдоль поверхности Земли.

3.2 О возможности моделирования эффектов растекания токов в полярной ионосфере.

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМЫЕ ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ ПОТОКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В НИЖНЕЙ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ.

4.1 Генерация короткопериодных колебаний геомагнитного поля в результате крупномасштабных возмущений проводимости ионосферы.

4.2 Генерация геомагнитных пульсаций в системе земля-ионосфера при импульсном воздействии на нее солнечных вспышек.

ГЛАВА 5 ГЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПОЯВЛЕНИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ.

5.1 Формирование УНЧ колебаний на поверхности Земли, генерируемых неоднородностями ионосферной проводимости.

5.2 О зависимости электрического поля и тока в слое Земля- ионосфера от проводимости и стороннего тока в нижней атмосфере.

5.3 Влияние вертикального переноса заряженных аэрозолей в атмосфере на величину электрического тока и поля в слое Земля-ионосфер а.

5.4 Влияние роста уровня атмосферной радиоактивности на величину электрического тока и поля в атмосфере.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Ультранизкочастотные электромагнитные возмущения, генерируемые в нижней области ионосферы"

Рад процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве приводит к генерации электромагнитных колебаний в диапазоне периодов от долей секунды до десятков секунд, регистрируемых на поверхности Земли и в ионосфере. К ним относятся: генерация геомагнитных пульсаций магнитосферными источниками [1-7]; взрывная инжекции легко ионизуемых веществ в ионосфере [8-21]; воздействие источников ионизирующего излучения на ионосферу [22-28] (солнечные вспышки, высотные ядерные взрывы); сильные взрывы в атмосфере [29]; процессы подготовки землетрясений [30-36].

Результаты наблюдения электромагнитных возмущений при взрывной инжекции легкоионизуемых элементов в нижней области ионосферы позволяют сделать следующие выводы: электромагнитные возмущения наблюдаются вне области охваченной ударной волной или разлетающимся плазменным образованием, что свидетельствует о формировании токов, служащих источником электромагнитного возмущения, распространяющегося в ионосферной плазме; импульс излучаемого поля может сопровождаться его осцилляцией с частотой 1-100 Гц; возмущения канализируются вблизи силовых линий геомагнитного поля. В ряде работ делались попытки интерпретации этих эффектов. В работе [37] проведен расчет излучения гидромагнитного импульса расширяющейся по заданному закону идеально проводящей сферы. В работе [38] исследованы закономерности разлета и изменения формы идеально проводящей поверхности в результате торможения ее внешним магнитным полем, а также влияние этих факторов на характеристики гидромагнитного излучения. При этом, источником излучения являлась замкнутая токовая система. Результаты этих работ могут быть использованы для интерпретации электромагнитных эффектов, возникающих при экспериментах в верхней ионосфере и магнитосфере, где плазма характеризуется анизотропной диэлектрической проницаемостью, а проводимость ее мала. В дальнейшем [39], с использованием кинетической теории и теории гидрогазодинамики была построена полуэмпирическая модель ударной волны, расширяющейся от точки инжекции. В работе рассмотрена только область ионосферы, в которой проводимость Педерсена много превышает проводимость Холла. Показано, что при инжекции взрывного типа в ионосфере ударная волна приводит к резкому возмущению проводимостей ионосферной плазмы. Причем на высотах средней ионосферы, где можно пренебречь проводимостью Холла, ее скачок за фронтом ударной волны может значительно превышать возмущение проводимости Педерсена. С использованием этой модели найдено две токовых системы: незамкнутая, связанная с возмущением проводимости Холла, и замкнутая, связанная с возмущением проводимости Педерсена. В приближении, когда проводимость Холла равна нулю, проведен расчет электромагнитных импульсов, генерируемых этими токами. Две системы формируют сигналы двух типов, распространяющиеся в невозмущенной ионосферной плазме. Незамкнутая токовая система приводит к "направляемой" диффузии полей вдоль магнитного поля в трубке с поперечным размером, совпадающим с радиусом расширяющейся ударной волны. Амплитуда поля может достигать 102-103 мВ/м, а длительность составляет Ю'МО"2 с на расстояниях 1-10 км от точки инжекции. Возмущение от замкнутой токовой системы распространяется вследствие изотропной диффузии. При этом его амплитуда на один-два порядка меньше, а длительность на один-два порядка больше "направляемого" сигнала. Таким образом, из работы следует, что в случае, когда проводимость Холла равна нулю, происходит только диффузное распространение полей. В работе [40] проведен расчет электромагнитного импульса, генерируемого ударной волной в слоисто-неоднородной ионосфере в квазистатическом приближении, которое выполняется при характерных частотах процесса, не превосходящих нескольких герц.

Эти работы не в состоянии удовлетворительно объяснить наблюдавшийся факт возникновения осцилляции в наблюдаемом сигнале в экспериментах со взрывной инжекцией. Как следует из анализа экспериментальных данных, электромагнитные возмущения наблюдаются вне области охваченной ударной волной или разлетающимся плазменным образованием. Можно предположить, что при инжекции легко ионизируемых веществ в магнитном поле формируются токи, которые служат источником электромагнитного возмущения, распространяющегося в ионосферной плазме. В результате того, что ионосферная плазма обладает проводимостью, можно было бы ожидать, что электромагнитные поля от импульсного тока распространяются по законам диффузии. Однако данные наблюдения свидетельствуют о том, что импульс излучаемого поля может сопровождаться его осцилляцией с частотой 1-100 Гц. Этот спектральный интервал соответствует низкочастотным электромагнитным волнам. Их частота меньше гирочастоты ионов [41]. В этом спектральном интервале возможна генерация гиротропных волн (ГВ) обнаруженных в ионосферной плазме в работе [42]. Теория этих волн была развита для интерпретации эффектов распространения вдоль поверхности Земли колебаний геомагнитного поля, генерируемые естественными и искусственными воздействиями на ионосферу [43]. В работе [44] рассмотрена трансформация магнитозвуковой волны в ГВ в нижней области ионосферы. Возмущение концентрации электронов при распространении ГВ в ионосфере анализировалось в работе [45]. Эффекты поглощения ГВ исследовались в работах [46-48]. В этих работах было показано, что ГВ распространяются на расстояния 103-104 км вдоль нижней границы Е-области ионосферы в слое толщиной порядка 30 км со слабым поглощением. При этом длина волны много больше толщины слоя, в котором распространяются волны [49]. В то же время, в ряде ракетных экспериментов по инжекции легкоионизируемых веществ регистрация полей производилась на расстояниях меньше или порядка масштаба неоднородности высотного распределения проводимости ионосферы. Следовательно, результаты приведённых выше работ не могут быть непосредственно применены для интерпретации этих экспериментов. В работе [50] рассмотрена задача об одномерном распространении низкочастотных волн в однородной ионосферной плазме под углом к внешнему магнитному полю. Показано, что импульсное воздействие в нижней области ионосферы приводит к распространению сигнала, основные характеристики которого формирует среда. При этом холловская проводимость определяет осциллирующий характер импульса, а форма огибающей определяется проводимостью Педерсена. Период осцилляции возрастает с увеличением расстояния и угла между направлением распространения и магнитным полем. Его величина определяется величиной проводимостей Холла и Педерсена и находится в пределах от десятых до единиц секунд. Для интерпретации появления осцилляций в излученном импульсе, которые наблюдаются в экспериментах, необходима разработка теории излучения с учётом проводимости Холла. Таким образом, имеющийся разрыв между экспериментальными данными и уровнем теоретических исследований процессов генерации низкочастотных электромагнитных полей при взрывной инжекции в ионосфере определяет актуальность представленной работы.

В настоящее время считается, что возможными причинами возникновения пульсаций в средних и низких широтах является их распространение из авроральной зоны в результате движения их магнитосферного источника или путем растекания токов в ионосфере. По данным станций, расположенных в средних широтах, было показано [3,7,51-53] , что как пульсации РП, так и устойчивые колебания распространяются вдоль земной поверхности с фазовой скоростью порядка десятков км/с. В ряде работ предложены интерпретации этого эффекта, основанные на представлении о движении магнитосферного источника пульсаций [7], а также модель генерации поверхностных волн на границе плазменного слоя [4,5]. Кроме пульсаций, имеющих магнитосферное происхождение, обнаружены колебания геомагнитного поля в диапазоне периодов 1-102 с, распространяющиеся вдоль земной поверхности со скоростью порядка десятков км/с, которые связаны с землетрясениями [42] и некоторыми другими процессами в атмосфере, в частности сильными взрывами. Эффекты распространения таких возмущений невозможно в полной мере объяснить магнитосферными процессами. В работах [7,23,52,54] было показано, что механизм их распространения включает в себя как магнитосферное, так и ионосферное распространение колебаний. Из факта совпадения скоростей в одном и том же интервале периодов магнитосферных пульсаций и пульсаций, генерируемых во время землетрясений, можно предположить, что ионосферные эффекты их распространения имеют одну и ту же природу.

На основе анализа большого числа экспериментальных данных установлено [27], что в спектре геомагнитных пульсаций, регистрируемых во время солнечных вспышек, наблюдаются три максимума с периодами -20, 80 и 300 с. В ряде работ [26,55-57] предложены различные механизмы генерации рассматриваемого типа геомагнитных пульсаций. Считается, что наиболее короткопериодные пульсации непосредственно связаны с быстрыми изменениями концентрации заряженных частиц в нижней области ионосферы вследствие флуктуаций потока рентгеновского излучения вспышки. Оценки, периодов флуктуаций на основе решения уравнения баланса ионизации при характерных ионосферных параметрах [26] дают значения Г-10-150 с, что хорошо согласуется с наблюдаемыми флуктуациями ионосферных параметров и периодами Ря/е. Пульсации с периодами ~1 мин могут быть, согласно работе [4], откликом магнитосферного резонатора на резкое изменение проводимости ионосферы под действием вспышки. Наблюдаемый низкоширотный максимум амплитуды объясняется максимумом ионизации в подсолнечной точке. Высокоширотный максимум находится в зоне полярных сияний, где локализована электроструя. В этой области ионосферные токи наиболее сильны, а под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений вспышки испытывают резкое усиление. Низкочастотные пульсации (74300 с) в соответствии с работами [55,57] обусловлены акустогравитационными волнами, генерируемыми импульсным выделением тепла возмущенными солнечной вспышкой Б, -токами. Согласно расчетам [57], во время вспышки в области Е ионосферы происходит резкое возрастание температуры, что приводит к генерации акустических волн. Акустические волны вызывают колебания ионизованной компоненты, и в присутствии магнитного поля возбуждаются медленные МГД-волны. Теоретические оценки хорошо совпадают с экспериментально наблюдаемыми периодами колебаний. Согласно результатам работ [55], короткопериодные пульсации, сопровождающие солнечные вспышки носят апериодический характер. В то же время, в ряде работ (см., напр. [27]) были обнаружены возмущения геомагнитного поля, имеющие характер затухающих колебаний с периодом порядка 10 с. Осциллирующий характер возмущений не может быть удовлетворительно объяснен в рамках перечисленных выше моделей.

Согласно данным работ [31-34,58], в зонах вблизи эпицентров готовящихся землетрясений может наблюдаться возрастание электромагнитных осцилляций шумового характера в УНЧ диапазоне (£=0.01-10 Гц). Для объяснения этого явления был предложен ряд механизмов. В работе [31] был предложен электрокинетический механизм; в [59] рост УНЧ-шумов был интерпретирован как магнитогидродинамический эффект; в [34] предложен пьезомагнитный механизм. В работах [36] рассматривался механизм генерации УНЧ-излучения при электризации микротрещин в земной коре, причем в качестве механизма такой электризации предлагался пьезоэффект. Все эти механизмы предполагают, что источники УНЧ-излучения расположены в литосфере и связаны с процессами подготовки землетрясений [31,34,36]. В то же время, в работе [60]

-/уобнаружено повышение уровня УНЧ-шумов сопровождающее метеорологические процессы в нижней атмосфере, такие как прохождение фронтов циклонов, в которых литосферные источники отсутствуют. Общим воздействующим фактором у метеорологических процессов и процессов подготовки землетрясений является возмущение динамического равновесия аэрозолей в нижней атмосфере, приводящее, согласно [61], к возмущению атмосферного квазистатического электрического поля. Следовательно, можно предположить существование механизма повышения уровня УНЧ-шумов на поверхности Земли, связанного с усилением квазистатического электрического поля.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что существующие теории генерации низкочастотных импульсных электромагнитных возмущений различными источниками в ионосфере, магнитосфере и атмосфере не в состоянии объяснить ряд существенных их особенностей наблюдаемых в эксперименте. В диссертации дана интерпретация этих эффектов на основе представлении об активной роли нижней области ионосферы в формировании пространственно-временных характеристик наблюдаемых сигналов и развитой в работе теории генерации и распространения электромагнитных полей в ионосфере.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, трех приложений и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Ященко, Алексей Кириллович

Результаты работы позволяют сделать следующие основные выводы:

1. В нижней области ионосферы в результате процессов сопровождающихся образованием ударной волны формируются аксиально-симметричные и радиальные электрические токи. На высотах ниже 120 км эти токи излучают в узкий конус вокруг направления геомагнитного поля электромагнитные волны в спектральном диапазоне единицы-десятки Гц, распространяющиеся с дисперсией и слабым поглощением, основные характеристики которых формирует среда. При этом холловская проводимость определяет осциллирующий характер импульса, а форма огибающей определяется проводимостью Педерсена. Период осцилляций возрастает с увеличением расстояния и угла между направлением распространения и магнитным полем. Его величина определяется проводимостями Холла и Педерсена.

2. Электромагнитные возмущения в диапазоне пульсаций Рг2 могут переноситься в низкие широты гиротропными волнами в нижней области ионосферы. Рассчитано пространственно-временное распределение поля геомагнитных пульсаций на поверхности Земли, генерируемых горизонтальным линейным током, зависимость от времени которого носит колебательный характер. Проанализировано влияние на характеристики сигнала угла наклона геомагнитного поля и проводимости Педерсена. Поглощение, связанное с этой проводимостью приводит к убыванию амплитуды сигнала, мало влияя, как и дисперсия, на изменение формы его огибающей. Фазовая скорость убывает с увеличением периода и угла наклона геомагнитного поля. Влияние идеально проводящей Земли сводится к увеличению длины проникновения волны и ее фазовой скорости.

3. В результате излучения магнитозвуковой волны при крупномасштабном в горизонтальном направлении возмущении проводимости нижней области ионосферы в присутствии внешнего электрического поля, возможна генерация колебаний геомагнитного поля в диапазоне периодов единицы-десятки секунд. Амплитудно-временные характеристики сигнала определяются возмущением интегральных проводимостей ионосферы. В зависимости от соотношения между холловской и педерсеновской интегральными проводимостями возмущенной ионосферы может наблюдаться осциллирующий и апериодический режимы магнитных возмущений. Для сильных возмущений проводимости ионосферы амплитуда пульсаций может достигать ~102 нТл. Период пульсации убывает с увеличением широты. Затухание минимально в средних широтах. Таким образом, всякая, даже не периодическая, флуктуация ионизирующего потока во время солнечной вспышки сопровождается осциллирующими геомагнитными пульсациями, формируемыми в слое Земля - ионосфера. Подобная возможность подтверждена в результате успешного применения теории для интерпретации результатов измерения геомагнитного поля во время импульсной ионизации ионосферы во время проведения высотного ядерного взрыва Starfish.

4. Возможно формирование УНЧ излучения на поверхности Земли в сейсмически активных областях в результате образования горизонтальных неоднородностей проводимости ионосферы, связанных с неустойчивостью акусто - гравитационных при усилении электрического поля. Различные естественные источники электромагнитного излучения генерируют электромагнитный шум в диапазоне УНЧ и геомагнитных пульсаций. Под действием этого шума на горизонтальных неоднородностях ионосферной проводимости с пространственным масштабом 10 км наводятся поляризационные токи, которые являются источниками гиротропных волн. Генерация и распространение этих волн в нижней области ионосферы приводит к формированию узкополосного электромагнитного излучения на поверхности Земли с характерной частотой порядка 0.1 - 10 Гц.

- fs 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Ященко, Алексей Кириллович, Москва

1. Arykov A. A., Maltsev Yu. P. // Planet, and Space Sei. 1979. V. 27. P.463.

2. Bell N. F. // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. P.3316.

3. Piddington J. H. The Transmission of Geomagnetic Disturbances through the Atmosphere and Interplanetary Space// Geophys. J. 1959. V. 2. № 3. P. 173-189.

4. Ляцкий В. Б. Токовые системы. Л.: ЛГУ. 1979.200 С.

5. Ляцкий В. Б., Мальцев Ю. П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. М.: Наука. 1983. 192 С.

6. Мальцев Ю. П., Леонтьев С. В., Ляцкий В. Б. // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14. С. 124.

7. Распопов О. М., Пудовкин М. И., Клейменова Н. Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Л.: Изд-во ЛГУ. 1975. 174 С.

8. Alexandrov V. A., Loevsky A. S., Popov G. А. et al. Structure of Plasma Blobs Injected into Ionosphere from a Rocket // Adv. Space. Res. 1981. V. 1. № 2. P. 147.

9. Bernhardt P. A., Roussel-Dupre P. A., Pongratz M. B. et al. Observations and Theory of AMPTE Magnetotail Barium Releases // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. № 6. P.5777.

10. Deehr C., Romick G. Pulsating Aurora Induced by Upper Atmospheric Barium Releases // Nature. 1977. V. 267. № 5607. P. 135.

11. Haerendel G. Result from Barium Cloud Releases in the Ionosphere and Magnetosphere // Space Research. 1973. V. 13. P.601.

12. Haerendel G., Bauer О. H., Cakir S. et al. Coloured Bubbles an Experiment for Triggering Equatorial Spread F // Active Experiments in Space. Symposium at Alpbach. ESA-SP-195. 24-28 May 1983.

13. Holmgren G., Bostrom R, Kelley M. C. et al. Trigger, an Active Release Experiment that Stimulated Auroral Particle Precipitation and Wave Emissions // J. Geophys. Res. 1980. V. 85. № A10. P.5043.

14. Kelley M. C., Pedersen A., Fahleson U. V. et al. Active experiments simulating waves and --------particle-precipitation with small ionospheric barium releases // J. Geophys. Res. 1974. V. 79.19. P.2859.

15. Kelley M. C., Fahleson U. V., Holmgren G. et al. Generation and Propagation of an Electromagnetic Pulse in the Trigger Experiment and its Possible Role in Electron Acceleration // J. Geophys. Res. 1980. V. 85. P.5055.

16. Kintner P. M., Kelley M. C., Holmgren G. et al. The Observation and Production of Ion Acoustic Waves During the Trigger Experiment//! Geophys. Res. 1980. V. 85. № 10. P.5071.

17. Koonr H. C., Pongratz M. Ion Cyclotron Waves Generated by an Ionosphere barium injection// J. Geophys. Res. 1979. V. 84. № 2. P.53.

18. Luhr H., Southwood D. J., Klocker N. et al. In Situ Magnetic Field Measurement During AMPTE Solar Wind Li+ Releases // J. Geophys. Res. 1986. Y. 91. № 2. P. 1261.

19. Marclund G., Brenning N., Holmgren G. et al. On Transient Electric Fields Observed in Chemical Release Experiments by Rockets // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. № A5. P.4590.

20. Schutz S., Adams G. J., Mozer F. S. Probe Electric Field Measurements Near a Midlatitude Ionospheric Barium Releases //J. Geophys. Res. 1973. V. 78. № 28. P.6634.

21. Wescott E. M., Rieger E. P., Stenback-Nielsen H. C. et al. L=1.24 Conjugate Magnetic Field Line Tracing Experiments with Barium Shaped Charge // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. № 1. P.159.

22. Bomke H. F., Balton I. A., Grote H. H. et al. Near and Distant Observations of the 1962 Johnston Island High-Altitude Nuclear Fests // J. Geophys. Res. 1964. V. 69. P.3125.

23. Kato J., Tamao T., Saito T. // J. Gemagn. Geoelectr. 1959. V. 10. P. 112.

24. Pinter S. // Bull. Astron. Inst. Czech. 1968. V. 19. P.297.

25. Rosenberg T. J., Morris P. B., Lanzerotti L. J. // Phys. Rev. Lett. 1981. V. 47. P. 1343.

26. Fenoglio M. A., Johnston M. J., Byerllee J. D. Magnetic and electric fields associated with changes in high pore pressure in fault zone application to the Loma Prieta ULF emissions //Proc. of Workshop LXIII. Menlo Park, CA. 1997. P. 262.

27. Fraser-Smith A. C., Bernardi A., McGill P. R. et al. Low-Frequency Magnetic Field Measurements Near The Epicenter Of The Ms 7.1 Loma Prieta Earthquake // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. № 9. P. 1465-1468.

28. Hayakawa M., Kawate R., Molchanov O. A. et al. Results Of Ultra-Low-Frequency Magnetic Field Measurements During The Guam Earthquake Of 8 August 1993 // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. № 3. P.241-244.

29. Johnston M. J. S., Muller R. J., Sasai Y. Magnetic Field observations in the near-field: the 28 June 1992 Mw 7.3 Landers, California, Earthquake // Bull. Seism. Soc. Am. 1994. Y. 84. P.792-798.

30. Martynenko S. I., Fuks I. ML, Shubova R. S. Ionospheric electric field influence on the parameters of VLF signals connected with nuclear accidents and earthquakes // J. Atmos. Electr. 1996. V. 16. P.259.

31. Molchanov O. A., Hayakawa M. Generation Of ULF Electromagnetic Emissions By Microfracturing // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. № 22. P.3091-3094.

32. Lutomyrsky R. F. Model for the generation for Magnetohydrodynamic Waves by High-Altitude Nuclear bursts //J. Geophys. Res. 1968. V. 73. № 4943. P.

33. Метелкин E. В., Сорокин В. M. Геомагнитные возмущения, генерируемые разлетом плазменных образований // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 5. С.756-759.

34. Метелкин Е. В., Сорокин В. М. Возмущения электрического и магнитного полей ударной волной в средней ионосфере // Космические исследования. 1996. Т. 34. № 3. С.264-270.

35. Борисов Н. Д., Ораевский В. Н., Ружин В. Н. Генерация электромагнитных излучений в экспериментах типа "Сполох". (1(615)). 1986. М., Препринт ИЗМИР АН.

36. Сорокин В. М., Федорович Г. В. Физика медленных МГД-волн в ионосферной плазме. М.: Энергоиздат. 1982. 136 С.

37. Сорокин В. М., Федорович Г. В. Распространение короткопериодных волн в ионосфере // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1982. Т. 25. № 5. С.495-507.

38. Сорокин В. М. Волновые процессы в ионосфере, связанные с геомагнитным полем //Изв. ВУЗов. Радиофизика 1988. Т. 31. № 10. С.1169.

39. Сорокин В. М. О роли ионосферы в распространении геомагнитных пульсаций // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. № 4. С.640-646.

40. Сорокин В. М. Среднеширотные длиннопериодные колебания геомагнитного поля и их связь с волновыми возмущениями ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. № 1. С. 104.

41. Сорокин В. М., Ященко А. К. О влиянии поглощения на распространение гиротропных волн в нижней ионосфере, генерируемых квазигармоническимисточником // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1987. Т. 81. С.72.

42. Сорокин В. М. О гиротропных волнах в нижней ионосфере и их возможном взаимодействии с магнитосферным резонатором // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. №3. С.490.

43. Сорокин В. М., Лщенко А. К. Распространение пульсаций Pi2 в нижней ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 4. С.655-660.

44. Сорокин В. М. Низкочастотные электромагнитные волны в нижней ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. № 6. С.925-928.

45. Сорокин В. М., Лщенко А. К. Распространение импульсов низкочастотных электромагнитных волн в ионосферной плазме // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1992. Т. 35. № 5. С.375-380.

46. Herrón Т. J. // J. Geophys. Res. 1965. Y. 71. Р.834.

47. Гогатишвили Я. М. Закономерности появления длиннопериодных пульсаций в средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 1979. Т. 19. № 2. С.382-384.

48. Гохберг М. Б., Качарянц Е. Г., Копытенко Ю. А. и др. Особенности пространственно-временного распределения пульсаций электромагнитного поля Pi-2 // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1973. Т. № 2. С.62-69.

49. Гогатишвили Я. М. Геомагнитные предвестники интенсивных землетрясений в спектре геомагнитных пульсаций с частотами 1-0.02 Гц // Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24. С.697-700.

50. Гутоп Ю. В., Сорокин В. М. Об интерпретации колебаний геомагнитного поля, связанных с солнечными вспышками // Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24. № 3. С.550.

51. Ляцкий В. Б. Токовые системы магнитосферно-ионосферных возмущений. Л.: Наука. 1978. 198 С.

52. Метелкин Е. В., Сорокин В. М., Федорович Г. В. О природе колебаний геомагнитного поля, генерируемых солнечными вспышками // Геомагнетизм и аэрономия. 1982. Т. 22. № 5. С.803.

53. Draganov А. В., Inan U. S., Taranenko Yu. T. ULF magnetic signatures at the Earth's surface due to ground water flow. //Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. P.1127-1130.

54. Щепетнов P. В., Троицкая В. А., Довбня Б. В. Электромагнитное излучение с центральной частотой 2 герца во время мощного циклона 9 июня 1984 г. // Доклады АН СССР. 1986. Т. 290. № 3. С.582-585.

55. Sorokin V., Yaschenko A. Electrical Field Disturbance in the Earth Ionosphere Layer // Adv. Space. Res. 2000. V. 26. № 8. P. 1219-1223.

56. Latter R, Lelevier R. E. Detection of Ionization Effects from Nuclear Explosions in Space // J. Geophys. Res. 1963. V. 68. № 6. P. 1643.

57. Qian S., Hao J., Zhou J. et al. ULF electromagnetic signals before Jiji earthquake and comparison with results of simulation experiment // International Workshop on Seismo-Electromagnetics of NASD A Tokyo, Japan. 19-22 September 2000. P. 101.

58. Гинзбург В. JI. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука. 1967. 552 С.

59. Сергеев И. Ю., Сорокин В. М., Ященко А. К. Низкочастотное излучение осесимметричного тока в ионосферной плазме // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 8. С.956.

60. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1962.С.

61. Голиков Ю. В., Д'Коста А., Пилипенко В. А. Геомагнитные пульсации, возбуждаемые при сильных землетрясениях // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25. № 5. С.824-828.

62. Фаткуллин М. Н., Зеленова Т. Н., Козлов 3. К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М.: Наука. 1981. 256 С.

63. Ваньян JI. JL, Абрамов JI. А., Альперович JL С. Геомагнитные пульсации. М.: Наука. 1973. 46 С.

64. Васильев В. В., Кутиков А. А., Сорокин В. М., Ященко А. К. О возможности моделирования эффектов растекания токов в полярной ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. № 2. С.230-236.

65. Васильев В. В., Коленский JL Л., Медведев Ю. А. и др. Проводящие оболочки в импульсном электромагнитном поле. М.: Энергоатомиздат. 1982. 145 С.

66. Сорокин В. М., Ященко А. К. Генерация короткопериодных электромагнитных колебаний в результате импульсных возмущений проводимости высокоширотной ионосферы // V симпозиум КАПГ по солнечно-земной физике. Самарканд. 2-6 Октября 1989 г.

67. Сорокин В. М., Ященко А. К. Генерация короткопериодных колебаний геомагнитного поля в результате крупномасштабных возмущений проводимости ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30. № 3. С.425-428.

68. Гутоп Ю. В., Сорокин В. М., Ященко А. К. Генерация геомагнитных пульсаций в системе Земля-ионосфера при импульсном воздействии на нее солнечных вспышек // Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33. № 4. С.79-85.

69. Sorokin V. М., Chmyrev V. М., Yaschenko А. К. Ionospheric Generation Mechanism of Seismic Related ULF Magnetic Pulsations Observed on the Earth Surface // International Workshop onSeismo-Electromagnetics of NASD A Tokyo, Japan. 19-22 September 2000.6о

70. Sorokin V. M., Chmyrev V. M., Isaev N. V. A generation model of small-scale geomagnetic field-aligned plasma inhomogeneities in the ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60. P. 1331-1342.

71. Сорокин В. M., Чмырев В. М. Неустойчивость акустогравитационных волн в ионосфере под действием электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 5. С.38-45.

72. Isaev N., Sorokin V., Chmyrev Y. Sea storm electrodynamic effects in the ionosphere // International Workshop on Seismo-Electromagnetics of NASD A Tokyo, Japan. 19-22 September 2000. 43.

73. Boyarchuk K. A., Lomonosov A. M., Pulinets S. A. et al. Variability of the Earth's Atmospheric Electric field and Ion-Aerosol Kinetics in the Troposphere // Studia geoph. et geod. 1998. V. 42. P. 197-210.

74. Molchanov O. A., Hayakawa M. VLF transmitter earthquake precursors influenced by a change in atmospheric electric field // 10th International Conference on Atmospheric Electricity. Proceedings. Osaka, Japan. 10-14 June 1996. P. 428.

75. Pierce E. T. Atmospheric electricity and earthquake prediction // Geophys. Res. Lett. 1976. V. 3.№ 3.P.185-188.

76. Чалмерс Дж. Атмосферное электричество. JL: Гидрометеоиздат. 1974. 420 С.

77. Тверской П. Н. Курс метеорологии (физика атмосферы). Л.: Гидрометеоиздат. 1962. 700 С.

78. Sorokin V. М., Chmyrev V. ML, Isaev N. V. et al. Earthquake Precursors in the Ionosphere: Recent Experimental and Theoretical Results // International Workshop on Seismo Electromagnetics. Tokyo, Japan. 1997. P. 82.

79. Virk H. S., Singh B. Radon recording of Uttarkashi earthquake // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. № 8. P.737-740.

80. Heincke J., Koch U., Martinelli G. C02 and Radon measurements in the Vogtland area (Germany) a contribution to earthquake prediction research // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. № 7. P.771-774.

81. Alekseev V. A., Alekseeva N. G. Investigation of Metal Transfer in the Biosphere During Gaseous Emission in Zones of Tectonic Activity Using Methods of Nuclear Physics // Nucl. Geophys. 1992. V. 6. P.99.

82. Сорокин В. M., Ященко А. К. Возмущение квазистационарного электрического поля в атмосфере над сейсмоактивными районами // Химическая физика. 2000. Т. 19. № 6. С. 56-63.

83. McCartney Е. J. Optics of the atmosphere. New York: John Wiley. 1976.

84. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 С.

85. Гаврилова Л. А., Ивлев Л. С. Параметризация микрофизических характеристик аэрозоля в радиационных моделях атмосферы // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана 1996. Т. 32. № 2. С. 172-182.

86. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука. 1981. 640 С.