Delist.ru

Квазистатическая турбулентность плазмы верхней ионосферы при искусственных и естественных возмущениях (17.08.2007)

Автор: Мясников Евгений Николаевич

? Результаты исследований на широтах главного ионосферного провала условий формирования локальных областей, содержащих интенсивные неоднородности километровых масштабов и параметров анизотропии их спектра, модель двухкомпонентного степенного спектра естественных неоднородностей авроральной верхней ионосферы.

? Результаты измерений методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ формы пространственного спектра искусственной ионосферной турбулентности в диапазоне поперечных к магнитному полю масштабов от десятков километров до нескольких десятков метров, определение характерных масштабов, на которых происходит изменение показателя степенного спектра в направлении геомагнитного поля и в ортогональной ему плоскости.

? Результаты исследований диффузии искусственных неоднородностей, позволившие экспериментально доказать, что при релаксации мелкомасштабных искусственных неоднородностей, сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля, реализуется режим амбиполярной диффузии.

? Теоретически найденное решение системы уравнений, описывающих магнитоактивную плазму, ( дрейфовые МГД-волны. Интерпретация на его основе амбиполярного режима диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей, эффекта уширения доплеровских спектров сигналов ракурсного КВ и УКВ рассеяния от области искусственной турбулентности.

? Градиентно-токовый механизм генерации неоднородностей, позволивший дать объяснение возникновению в авроральной верхней ионосфере плоско-слоистых флуктуаций электронной концентрации.

Научная новизна и практическое значение

При проведении исследований неоднородной структуры высокоширотной ионосферы методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ автором собран обширный экспериментальный материал, который позволил установить особенности анизотропии формы трехмерного спектра флуктуаций электронной концентрации в широком диапазоне масштабов, на его основе разработана модель, учитывающая изменение анизотропии пространственного спектра флуктуаций плотности плазмы в направлении магнитного поля и в ортогональной ему плоскости. Проведены экспериментальные исследования по определению формы спектра, процессов развития и релаксации искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным КВ радиоизлучением.

Автором диссертации предложен новый подход к проблеме образования неоднородной структуры верхней ионосферы, основанный на учете индукционных электрических полей, возбуждаемых в магнитоактивной плазме квазистатическими вихревыми токами. В приближении двухжидкостной МГД получено решение, описывающее вращающиеся в магнитном поле возмущения плотности плазмы, на основе которого предложена интерпретация наблюдаемым в эксперименте режиму амбиполярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и эффекту частотного уширения доплеровских спектров сигналов ракурсного КВ и УКВ рассеяния от области искусственных неоднородностей. Полученные в диссертационной работе экспериментальные результаты о спектральных характеристиках неоднородной структуры верхней ионосферы при естественных и искусственных возмущениях, а также разработанные теоретические модели открывают принципиально новые возможности для изучения механизмов образования неоднородной структуры верхней ионосферы.

Достоверность полученных результатов обусловлена:

- использованием метода радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ, зарекомендовавшего себя как достаточно эффективный и теоретически обоснованный способ получения информации об электронном содержании и флуктуациях плазмы на высоте F-слоя ионосферы,

- использованием современных средств и способов статистической обработки данных,

- сопоставлением результатов проведенных исследований с существующими и предложенными в диссертации теоретическими моделями.

Публикации и апробация результатов

По теме диссертации опубликована 21 статья в журналах, входящих в список рекомендованных ВАК (Изв. вузов. Радиофизика, Геомагнетизм и аэрономия, Physics Letters A), 4 статьи в широко известных зарубежных реферируемых журналах (Planetary and Space Science, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Radio Science), более 20 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всесоюзных (российских) и международных конференций, совещаний и школ, препринтах НИРФИ.

Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных и Международных совещаниях по неоднородной структуре ионосферы (Ашхабад, 1979; Норильск, 1980; Мурманск, 1984; Калуга, 1989; Н.Новгород, 1991; Lyon, Colorado, 1994), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Н.Новгород, 2002), на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1991; Uppsala, 1994; Москва, 1998, 2004), на совещании рабочей группы по взаимодействию радиоволн с ионосферой (Santa Fe, 2004), на научной ассамблее COSPAR (France, Paris, 2004), на Международных летних школах по физике космической плазмы (Н.Новгород, 1993, 1995, 1997), а также на научных семинарах НИРФИ, ПГИ КНЦ РАН, ИПФ РАН.

Личный вклад

Автор диссертации на протяжении научной работы в НИРФИ занимался исследованием неоднородной структуры ионосферы методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ, спектральной и корреляционной обработкой данных. В основные результаты диссертации по указанной тематике вошли только те, вклад автора в которые был определяющим на всех этапах, включая постановку экспериментов, проведение измерений, обработку и анализ данных, подготовку публикаций. Результаты экспериментальных исследований неоднородной структуры ионосферы, полученные другими методами (ракурсное рассеяние радиоволн, радиотомография), в том числе в соавторстве с диссертантом, используются в диссертации для построения более полной картины неоднородной структуры ионосферы и для обоснования предложенных теоретических моделей. Автор являлся научным руководителем гранта Международного научного фонда R8L000 и инициативных проектов РФФИ 96-02-18500 и 03-05-64636, выполнявшихся совместно НИРФИ и ПГИ КНЦ РАН (г. Мурманск).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 297 страниц текста, включая 74 рисунка, список литературы из 211 названий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дана общая характеристика работы и кратко изложено её содержание.

В первой главе содержится обзор экспериментальных данных о неоднородной структуре ионосферы и поставлены задачи диссертационной работы.

В разделе 1.1 приводятся сведения об основных морфологических характеристиках неоднородной структуры верхней ионосферы. Отмечается, что одной из важных особенностей высокоширотной авроральной ионосферы является существование зон “втекающих” и “вытекающих” продольных к геомагнитному полю токов, где образуется главный ионосферный провал – область пониженной концентрации плазмы. Одной из особенностей неоднородной структуры в данной области является образование локальных структур, содержащих интенсивные мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации, вызывающие всплески флуктуаций амплитуды и фазы сигналов ИСЗ –“сцинтилляционные пэтчи”.

В разделе 1.2 рассмотрены экспериментальные данные о пространственных спектрах турбулентности мелкомасштабных квазистатических электрических и магнитных полей, наблюдаемых в высокоширотной верхней ионосфере и магнитосфере с помощью датчиков, установленных на космических аппаратах. Измерения показывают, что флуктуационные электрические поля поляризованы ортогонально, а магнитные – преимущественно ортогонально к направлению геомагнитного поля, причем флуктуационные мелкомасштабные электрические и магнитные поля, так же, как и неоднородности плотности плазмы, имеют степенные пространственные спектры, обладающие разными значениями показателей. Данные о соотношении показателей степенных спектров флуктуаций электрического и магнитного полей являются принципиально важными для экспериментальной проверки механизмов, которые могут приводить к образованию неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы и магнитосферы.

В разделе 1.3 приведены основные результаты исследований параметров искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), возбуждаемой в верхней ионосфере мощным КВ радиоизлучением, полученные методами радиопросвечивания возмущенной области сигналами ИСЗ и ракурсного рассеяния радиоволн в КВ и УКВ диапазонах. Измерения зависимости времени релаксации искусственных неоднородностей от их масштаба позволили определить эффективные коэффициенты поперечной к магнитному полю и продольной диффузии, значения которых оказались близки к соответствующим коэффициентам амбиполярной диффузии. Последнее противоречит теории униполярной диффузии, описывающей расплывание потенциальных флуктуаций в магнитоактивной плазме, и свидетельствует о том, что релаксация сильно вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неоднородностей в верхней ионосфере происходит существенно медленнее, чем следует из теории. Другой экспериментальный факт, обнаруженный при исследованиях ИИТ и не нашедший объяснения в рамках существующих традиционных представлений, связан с широкополосным уширением доплеровских спектров сигналов КВ и УКВ рассеяния, которое свидетельствует о наличии в плоскости, ортогональной магнитному полю, мелкомасштабных хаотических движений флуктуаций плотности плазмы, имеющих радиальное направление.

В разделе 1.4 дано краткое описание предложенного в диссертации подхода к проблеме генерации в магнитоактивной плазме, близкой к идеальной, непотенциальных электрических полей, источниками которых служат флуктуационные квазистатические токи, определяющие условия равновесия плазмы в магнитном поле. В рамках данного подхода было найдено решение, описывающее дрейфовые МГД-волны – вращающиеся возмущения плотности плазмы, антисимметричные по отношению к направлению магнитного поля.

В разделе 1.5 рассмотрен другой тип индукционных электрических полей, которые в авроральной верхней ионосфере могут возбуждаться в присутствии крупномасштабного тока, протекающего в плоскости геомагнитного меридиана.

Во второй главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований неоднородной структуры высокоширотной ионосферы, полученные методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ.

В разделе 2.1 рассмотрен метод исследований спектральных характеристик неоднородностей электронной концентрации с помощью радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ. В настоящее время при интерпретации экспериментальных данных наиболее часто используется форма трехмерного степенного спектра

будут зависеть от направления радиопросвечивания. Наиболее простой данная зависимость оказывается для гауссовой формы спектра в направлении магнитного поля

км на авроральных широтах.

В разделе 2.4 приведены результаты измерений с помощью пространственно разнесенного приема сигналов ИСЗ параметров дифракционной картины, создаваемой на поверхности Земли флуктуациями амплитуды сигналов орбитальных ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц. Эксперимент проводился на базе экспедиции ПГИ КНЦ РАН в п.Верхнетуломский при участии А.А.Боголюбова, В.И.Косолапенко, В.А.Кряжева, В.А.Черемного. Полученные данные показали, что скорость движения дифракционной картины, измеряемая по значениям времен относительных сдвигов кросскорреляционных функций в пространственно разнесенных точках, в значительной степени определяется направлением распространения радиоволны по отношению к геомагнитному полю, при этом вектор скорости движения фазового фронта ортогонален к проекции геомагнитного поля на плоскость фазового экрана.

км в авроральной ионосфере первоначально происходила в локальных структурах, сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля и восточно-западного направления, которые при дальнейшем развитии образовывали области, занимавшие протяженный интервал по широте. Характерное время формирования и разрушения таких структур в условиях слабой геомагнитной активности составляло порядка и более одного часа. Наиболее узкие по широте зоны мерцаний наблюдались на этапе их развития в направлении, близком к восточно-западному, что указывает на возможность существования в авроральной ионосфере механизмов генерации плоско-слоистых мелкомасштабных неоднородностей, приводящих к наиболее эффективному расслоению плазмы в северо-южном направлении.

м/c. Движение плазмы в этом направлении сопровождалось увеличением северного градиента полного электронного содержания, максимальное значение которого наблюдалось приблизительно в интервале (22/23) часов местного времени. Разрушение градиента концентрации сопровождалось усилением мелкомасштабных неоднородностей.

В разделе 2.7 анализируются данные радиопросвечивания высокоширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ на когерентных частотах 150 и 400 МГц (п. Верхнетуломский), полученные в период работы станции некогерентного рассеяния EISCAT (69,6°с.ш., 19,2° в.д.) по программе CP-3-F в режиме сканирования диаграммы направленности в плоскости магнитного меридиана. Результаты измерений позволили провести сопоставление высотно-широтных профилей электронного содержания, полученных методами радиопросвечивания и некогерентного рассеяния, также были проанализированы данные о соответствующих профилях температур электронной и ионной компонент, скоростях дрейфа плазмы на высотах F-слоя. Было показано, что в дневных магнитоспокойных условиях при отсутствии резких широтных градиентов полного электронного содержания и при западном направлении дрейфа плазмы мелкомасштабные неоднородности преимущественно возникали в области минимума концентрации и максимума электронной температуры. В вечернее время при том же направлении дрейфа образование наиболее интенсивных неоднородностей преимущественно происходило на северном градиенте полного электронного содержания. При смене направления дрейфа с западного на восточное вблизи местной полуночи образование наиболее интенсивных неоднородностей происходило в области южного градиента электронной концентрации. Обнаруженная особенность в развитии мелкомасштабных неоднородностей свидетельствует о наличии механизма их генерации, связанного со взаимными направлениями скорости дрейфа и крупномасштабного градиента плазмы.

форма спектра становится трехмерной степенной. Коэффициент, характеризующий анизотропию степенного спектра в направлении север-юг, описывается зависимостью

приводит к быстрому насыщению спектральной плотности в этом направлении, что позволяет дать объяснение малым северо-южным размерам локальных структур.

В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), возбуждаемой на средних широтах мощным КВ радиоизлучением. Измерения проводились на базе нагревных стендов НИРФИ п. “Зименки” (56,15° с.ш., 44,3°в.д.) и п. Васильсурск ( стенд “Сура” (56,1°с.ш., 43,1°в.д.), часть данных была получена на стенде “Гиссар” (38,5°с.ш., 68,6°в.д.), находившемся вблизи г.Душанбе.

( масса иона. Полученные данные позволили сделать вывод о том, что при релаксации мелкомасштабных искусственных неоднородностей имеет место режим амбиполярной диффузии. Он является существенно более медленным, чем униполярная диффузия флуктуаций концентрации магнитоактивной плазмы и может быть реализован только при условии запирания вихревых токов “короткого замыкания”.

МГц и возрастала пропорционально частоте. В условиях стационарного нагрева величина уширения не зависела от среднего сдвига частоты, времени суток и сезона года. Время релаксации широкополосной компоненты по порядку величины совпадало с характерным временем релаксации рассеянного сигнала. Измерения, выполненные с использованием антенны ФАР УТР-2, имевшей ширину главного лепестка в горизонтальном (восточно-западном) направлении порядка одного градуса, показали, что величина уширения не зависит от углового размера возмущенной области. Последнее дало основание предположить о наличии в возмущенной области хаотических мелкомасштабных движений флуктуаций плазмы, имеющих радиальное по отношению к вектору рассеяния направление.

загрузка...