Экспериментальное исследование неоднородной структуры высокоширотной ионосферы Сибири

Общая характеристика работы.

Тема работы.

Данная работа посвящена исследованию неоднородной структуры и динамики высокоширотной ионосферы по наблюдениям в Норильске (географические широта и долгота 69.3° N и 88.2° Е, геомагнитные широта и долгота 64.2° и 160.4°, L=5.3). Высокоширотная ионосфера включает в себя неоднородности различных пространственных и временных масштабов [36, 37]. Геофизические механизмы генерации и динамики таких неоднородностей различны и связаны с особенностями высокоширотной ионосферы. В данной работе изучались мелкомасштабные неоднородности (ММН) («время жизни» — несколько секунд, пространственные размеры — несколько сотен метров) и среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВпериод — 10−50 мин, горизонтальные размеры — десятки и сотни километров) слоев Е и F ионосферы в различных геофизических условиях, их взаимосвязь с крупномасштабными неоднородностями высокоширотной ионосферы и магнитосферными процессами. Также исследовались возмущения в ионосфере промежуточного масштаба (порядка десятков и сотен секунд) во время прохождения геомагниных пульсаций.

Актуальность темы

.

Высокоширотная ионосфера играет важную роль в сложной динамичной системе солнечно-земных связей: «Солнце — солнечный ветер — магнитосфера — высокоширотная ионосфера — тропосфера — среднеширот-ная ионосфера» [69]. Высокоширотная ионосфера силовыми линиями геомагнитного поля связана с магнитосферой и отражает процессы, протекающие в магнитосфере. Через нее происходит перенос энергии из магнитосферы в среднеширотную ионосферу и тропосферу [16]. Кроме того высокоширотная ионосфера сама оказывает влияние на магнито-сферные процессы [135].

Исходя из этого наиболее актуальными направлениями фундаментальных исследований высокоширотных неоднородностей представляются:

1. Особенности процессов генерации и динамики ионосферных высокоширотных неоднородностей. Формирование неоднородностей высокоширотной ионосферы — сравнительно мало исследованная область физики магнитосферно-ионосферного взаимодействия [36]. До настоящего времени остается нерешенной проблема механизмов образования и локализация источников среднемасштабных акустико-гравитационных волн (АГВ) и, соответственно, среднемасштабных ПИВ [165, 161]. До сих пор ионосферных возмущения с периодами секунды-сотни секунд остается мало изученным. Подтверждением этого является организация с 2001 года в рамках Европейской Программы COST рабочей группы «WP 3.2. Effects of small-scale ionospheric irregularities, interference and noise on terrestrial communications» .

2. В экспериментальном плане сопоставление изменений характеристик неоднородностей и «регулярной» ионосферы, исследование закономерностей изменения параметров неоднородностей на разных фазах суббури, взаимосвязи неоднородностей различных масштабов в Е-, F-слоях ионосферы в различных геофизических ситуациях [36].

3. Диагностика и прогноз состояния магнитосферы при различных уровнях возмущенности по параметрам ионосферных неоднородностей. Так, например, скорость дрейфа мелкомасштабных неоднородностей в авроральных электроджетах позволяет оценить электрическое поле магнитосферного происхождения.

4. Магнитосферно-ионосферные и термосферно-ионосферные взаимодействия.

5. Исследование взаимодействия между МГД-волнами и высокоширотной ионосферой. Актуальность такого исследования посредством до-плеровских измерений определяется двумя моментами: а) возможностью более «локально» наблюдать МГД-волн по их проявлениям в ионосфере [130]- б) возможностью изучение влияния МГД-волн на формирование и динамику неоднородной структуры ионосферы [198].

Практические интересы связаны с целым рядом задач:

1. Улучшение методик прогноза прохождения радиоволн и установление надежной радиосвязи. Ионосферные неоднородности высокоширотной ионосферы значительно влияют на эффективность работы радиосвязи [16].

2. Космическая навигация и спутниковые (трансионосферные) системы связи. Интенсивные ионосферные неоднородности (особенно в экваториальных и полярных областях могут) быть причиной снижения работоспособности спутниковых систем связи, систем GPS (Global Position System) .

3. Прогноз состояния ионосферной плазмы для низколетящих ИСЗ. Орбиты космических станций и многих спутников проходят на высотах F-слоя ионосферы (300−400 км). На движение таких низкоорбитальных ИСЗ оказывают влияние вариации плотности ионосферной плазмы, связанные с геофизическими факторами (например, циклом солнечной активности, геомагнитными возмущениями).

4. Разработка методик, позволяющих различать ионосферные возмущения искусственного и естественного происхождения. Структура и динамика ионосферных неоднородностей отражает природные процессы происходящие как на земной поверхности и в нижней атмосфере, так и процессы в магнитосфере, солнечном ветре. При мощных взрывах, запусках ракет и некоторых других аспектах человеческой деятельности происходит генерация ионосферных неоднородностей различных масштабов, либо существенное изменение их динамики. Поэтому важно знать «поведение» неоднородностей в естественных природных условиях, что позволит выделить факторы искусственного воздействия. Следует отметить, что в районе Норильска проходят траектории запуска космических ракет с космодрома Плисецк.

Современные дорогостоящие и высокоинформативные средства, расположенные в странах Западной Европы, Америки, Канады, позволяют регулярно проводить наблюдения ионосферы. В высоких широтах работают дигизонды [174], радары некогерентного рассеяния (Sonderstorm radar на юге Гренландии, EISCAT в северной Скандинавии [180]). В последние годы северное полушарие (за исключением диапазона долгот от 40° в.д. до 170° в.д.) доступно для высокочастотных радаров SuperDARN [140]. Активно развиваются и приспосабливаются для нужд геофизики системы трансионосферного зондирования, в том числе глобальная навигационная система GPS. Тем не менее картина структуры и динамики ионосферных неоднородностей в высоких широтах по прежнему остается неполной. Это связано не только с большой сложностью и изменчивостью высокоширотной ионосферы, но и с тем, что есть огромные «белые пятна», где систематические наблюдения тонкой структуры ионосферы не проводятся. Таким «белым пятном» является высокоширотная область России, и, в частности, северная Сибирь.

В России в настоящее время практически нет мощных инструментов и нет густой сети станций. Исследования неоднородной структуры высокоширотной ионосферы проводятся, причем нерегулярно, в немногих пунктах наблюдения (Мурманск [23], Якутск [123, 11]). В 60−70-х годах в Норильске проводились регулярные исследования мелкомасштабной структуры высокоширотной ионосферы [69]. Были получены усредненные картины движений в Е и F — областях высокоширотной ионосферы для различных сезонов года и уровней геомагнитной активности. Исследования среднемасштабных волновых неоднородностей в Норильске раннее не проводились.

Для изучения процессов, протекающих в ионосфере в этом малоисследованном регионе в 1995 г. на Норильской КМИС был смонтирован ионосферный комплекс, позволяющий исследовать мелкомасштабные неоднородности и среднемасштабные ПИВ. В настоящее время это единственный в высокоширотной области Сибири комплекс на котором возможно исследование неоднородной структуры ионосферы.

Таким образом, экспериментальные результаты, полученные на ионосферном комплексе в Норильске, приобретают особую ценность не только в связи с решением общих для физики авроральных явлений прикладных и фундаментальных задач, но и вследствии расположения Норильской КМИС в малоизученном регионе.

Цели работы.

Учитывая уникальное положение Норильской КМИС, наличие на станции инструментов для наблюдения ионосферы и вариаций магнитого поля Земли, результаты проводимых ранее исследований, были сформулированы следующие цели данной работы:

1. Создание ионосферного комплекса в Норильске, способного одновременно измерять параметры как мелкомасштабных неоднородностей ионосферы, так и среднемасштабных ПИВ;

2. Изучение пространственно-временных характеристик и динамики мелкомасштабной и среднемасштабной структуры ионосферы в зависимости от типа слоя ионосферы, сезона, геомагнитной активности, местного времени. Идентификация параметров мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ относительно крупномасштабной структуры высокоширотной ионосферы;

3. Сравнение динамических параметров ионосферных неоднородностей различных масштабов, полученных одновременно, и изучение возможной взаимосвязи между такими неоднородностями;

4. Установление закономерностей поведения высокоширотной ионосферы в периоды наблюдений геомагнитных пульсаций различных типов по данным одновременной регистрации вариаций геомагнитного поля и доплеровского смещения частоты в диапазоне геомагнитных пульсаций.

Научная новизна исследования.

1. Создан цифровой ионосферный комплекс для изучения неоднородной структуры высокоширотной ионосферы. Создана база данных, включающая в себя 300 часов наблюдений неоднородной структуры высокоширотной ионосферы.

2. Впервые одновременно получены динамические параметры мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ. Показано, что направления перемещения и скорости неоднородностей различных масштабов не совпадают, что говорит о различных механизмах генерации и динамики таких неоднородностей.

3. Впервые на высокоширотной станции Норильск с использованием фазовых методов обработки отраженного от ионосферы радиосигнала, были получены динамические параметры среднемасштабных ПИВ в зависимости от типа слоя, сезона, геомагнитной активности, местного времени.

4. Впервые для высокоширотной зоны Сибири была проведена серия экспериментов по одновременной регистрации геомагнитных пульсаций и вариаций доплеровского сдвига частоты отраженного от ионосферы радиосигнала.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов, описанных в диссертации, основывается на физическом обосновании предложенных методов, их проверке численным моделированием и в экспериментах. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований, опубликованных ранее другими авторами. Экспериментальные результаты были получены на большом статистическом материале, что позволило с достаточной степенью надежности выделить наиболее типичные закономерности и связи рассматриваемых явлений.

Практическая ценность работы.

Выводы работы могут быть использованы:

1. для улучшения методик прогноза распространения радиоволн;

2. для изучения генерации и динамики неоднородностей различных масштабов и их взаимосвязи;

3. для исследования механизмов взаимодействия гидромагнитных волн магнитосферного происхождения и высокоширотной ионосферы;

Личный вклад автора.

Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в:

1. постановке основных задач данной работы;

2. созданиии и монтаже на Норильской КМИС цифрового ионосферного комплекса;

3. создании и доработке программ обработки ионосферных данных;

4. планировании и проведении серии экспериментов в марте;

5. анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация работы.

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Iternational Conference on Problems of Geo cosmos (С.-Петербург, 1996) — XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (С.-Петербург, 1996) — Международной конференции, посвященной 50-летию ионосферных исследований в Иркутске (Иркутск, 1998) — Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2000) — VIII Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics.» (Irkutsk, 2001) — COSPAR colloqium «Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Enviroment (Beijing, Chine, 2001) — Всероссийской конференции по солнечно-земным связям (Иркутск, 2001), семинарах кафедры радиофизики физического фаультета ИГУ и кафедры радиоэлектроники ИрГТУ, а также на семинарах отделов физики верхней и средней атмосферы и распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Создание ионосферного комплекса позволяющего одновременно определять параметры мелкомасштабных неоднородностей (ММН) методом Д1 и среднемасштабных ПИВ (СМ ПИВ) фазовым методом;

2. Результаты эксперимента по одновременной регистрации динамических параметров ММН и СМ ПИВ. Мелкомасштабные неоднородности и среднемасштабные ПИВ движутся в разных направлениях и с разными скоростями. Среднемасштабные ПИВ движутся, в основном, в южном направлении со скоростями 40−100 м/с. Преимущественное направление движения мелкомасштабных неоднородностей — восточное и западное, скорости лежат в диапазоне от 100 до 200 м/с.

3. Статистические характеристики параметров ионосферных неоднородностей слоев F2 и Es в течении суток в зависимости от сезона и геомагнитной активности. При переходе от летнего сезона к зимнему происходят следующие изменения параметров ионосферы: увеличение диффузности отражающего слоя, увеличение скорости перемещения как ММН, так и СМ ПИВ. Авроральная активность значительно влияет на амплитуду доплеровского смещения частоты, ширину доплеровского спектра, скорости и направления перемещения ММН и СМ ПИВ.

4. Экспериментальные результаты наблюдения ионосферного отклика геомагнитных пульсаций. Гидромагнитные волны, диапазона регулярных пульсаций Рс4−5, взаимодействуя со слоем F2 ионосферы, вносят основной вклад в короткопериодные возмущения ионосферы, что проявляется в вариациях доплеровского смещения частоты fd¦

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 216 ссылок. Общий объем диссертации — 164 страницы, включая 5 таблиц и 26 рисунков.

4.5 Выводы.

В результате проведения эксперимента проанализировано около 30 случаев одновременной регистрации вариаций fd и геомагнитных пульсаций: 7 случаев одновременной регистрации регулярных пульсаций Рс4−5 и вариаций fd] 20 случаев регистрации иррегулярных пульсаций Pi2 и вариаций fd•.

Выявлены следующие основные экспериментальные закономерности:

1. Наличие хорошей корреляции между регулярными геомагнитными пульсациями Рс4−5 и вариациями доплеровского смещения частоты fd радиосигнала, отраженного от слоя F2 ионосферы.

2. Резкое усиление спектральной составляющей вариаций fd на частоте, совпадающей с частотой колебаний Рс4−5, во время наблюдения Рс4−5. При этом максимумы на других частотах практически отсутствуют.

3. Отсутствие корреляции между иррегулярными геомагнитными пуль сациями Pi2 и вариациями доплеровского смещения частоты радиосигнала, отраженного от спорадического слоя Е авроральной ионосферы.

4. В ряде случаев во время наблюдения Pi2 обнаружено усиление ко-роткопериодных составляющих спектра вариаций fd и совпадение основных максимумов на графиках спектральной плотности вариаций fd и Pi2.

На основании этих основных результатов сделаны выводы:

Гидромагнитные волны диапазона регулярных пульсаций Рс4−5, взаимодействуя со слоем F2 ионосферы, вносят основной вклад в корот-копериодные возмущения ионосферы, что проявляется в вариациях доплеровского смещения частоты fd. Возможный механизм — вариации электронной концентрации, связанные с прохождением гидромагнитной волны в ионосфере.

Существует несомненная взаимосвязь между вариациями fd радиосигнала, отраженного от спорадического слоя Е, и иррегулярными пульсациями Pi2, но по ряду причин она прослеживается слабо.