Диссертация (1149579), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Так, возникновение D-слоя ионосферы на освещенной Солнцемстороне Земли вызвано в основном ионизирующим влиянием линии Lсолнечного спектра (121.5 нм) на эту область. Кроме того, значительноевлияние на состояние нижней ионосферы оказывают вспышки на Солнце,вторжения авроральных протонов и космические лучи. Приходящие от Солнцапотоки рентгеновских лучей и высокоэнергичных протонов изменяют профиль97электронной концентрации нижней ионосферы, особенно в авроральнойобласти [126; 155], вызывая, тем самым, так называемые, гелиогеофизическиевозмущения в волноводе Земля-ионосфера [152].Солнечная вспышка характеризуется целым набором черт, а именновеличинами потоков рентгеновских лучей и протонов и их энергетическимиспектрами и распределением по питч-углам, временем, в которое произошлавспышка, взаимным расположением Земли и Солнца во время вспышки,положением вспышки на Солнце.
Для того, чтобы в авроральной области навысотах 50-100 км оценить распределение интенсивности и энергетическогоспектра потока космических лучей, необходимо учесть влияние магнитногополя на траектории заряженных частиц. Протоны с малыми энергиями,попадающие в область разомкнутых силовых линий, доходят до нижнейионосферы [126; 152]. На геомагнитных широтах от 60∘ до 75∘ , где силовыелинии магнитного поля то разомкнуты, то замкнуты в соответствии свращением Земли, присутствуют значительные суточные вариации жесткостигеомагнитного обрезания энергетического спектра протонов на высотах Dслоя, зависящие к тому же от уровня магнитной возмущенности [7; 51;71; 72].
Поэтому каждая вспышка является уникальной по воздействию нанижнюю ионосферу и влиянию на распространение электромагнитных волнв волноводе Земля-ионосфера. Наличие этих факторов является причинойсложности полного теоретического описания процессов, происходящих внижней ионосфере во время вспышки, что выводит на первый планнеобходимость в экспериментальных исследованиях.В данной работе для экспериментального исследования реакции нижнейионосферы на гелиогеофизические возмущения мы использовали скоростьраспространения и волновой импеданс атмосфериков, получаемые в результатенепрерывных измерений ЭМ поля в СНЧ диапазоне в авроральной области.984.1Аппроксимацияпрофиляпроводимостинижней ионосферыДвухэкспоненциальная модель, наиболее часто применяемая на частотахдо 100 Гц для описания связи между скоростью распространения ЭМвозмущений и профилем проводимости нижней ионосферы, подразумеваетаппроксимацию профиля проводимости двумя экспонентами (см.
главу 1).Эта модель разрабатывалась для описания процессов распространения ЭМвозмущений на частотах шумановских резонансов, что почти на порядок нижеиспользуемых в настоящей работе. Глубина скин-слоя в ионосфере на болеевысоких частотах значимо меньше, чем на частотах шумановских резонансов.Этот факт дает возможность предположить, что двухэкспоненциальную модельможно заменить более простой одноэкспоненциальной. Обоснование этогопредположения приведено ниже.Как уже говорилось выше, два характерных участка профиля в нижнейионосфере отвечают за высотное поведение вертикальной электрическойкомпоненты и горизонтальных магнитных компонент поля [56].
Вне этиххарактерных участков свойства ионосферы практически не влияют нараспространение ЭМ волн в волноводе. Из работ [17; 38] известно, что участкипрофиля находятся вблизи высот D и Е слоев ионосферы, примерно 70-100км. Для уточнения влияния возмущений экспоненциального профиля на этихвысотах на фазовую скорость ТЕМ волн в волноводе Земля-ионосфера мыпровели численное моделирование распространения ЭМ сигнала на частоте130 Гц. Численные расчеты были проведены методом FDTD (Finite DifferenceTime Domain), реализующим конечно–разностную аппроксимацию уравненийМаксвелла.
Использованный метод является упрощенным вариантом модели,описанной в работе [100]. На рис. 4.1 приведены результаты моделирования.На нижней панели показана зависимость рассчитанной фазовой скоростираспространения ЭМ сигнала на частоте 130 Гц от высоты неоднородностиэкспоненциального профиля проводимости ионосферы, на верхних панелях используемые профили проводимости с неоднородностями на высотах 30, 50,70, 90 и 110 км.Height,akm991201008060402010-13 10-9 10-5 10-1 10-13 10-9 10-5 10-1 10-13 10-9 10-5 10-1 10-13 10-9 10-5 10-1 10-13 10-9 10-5 10-1Conductivity,aSm/mPhaseavelocity,aMm/s260255250245240235230225203040506070Height,akm8090100120110Внизу - зависимость рассчитанной фазовой скорости распространения ЭМсигнала на частоте 130 Гц от высоты неоднородности в профиле проводимостиионосферы, вверху - профили проводимости с неоднородностями на высотах 30,50, 70, 90 и 110 км.Рисунок 4.1: Зависимость фазовой скорости распространения ЭМ сигнала начастоте 130 Гц от высоты, на которой расположена неоднородность профиляпроводимости ионосферы.Из рисунка видно, что основное влияние на скорость распространенияЭМ сигнала на частоте 130 Гц оказывает профиль проводимости на высотахот 40 до 80 км.
Положительное локальное отклонение проводимости отэкспоненциальной зависимости в диапазоне высот от 40 до 60 км приводитк уменьшению фазовой скорости распространения, и, наоборот, такое жеувеличение проводимости в диапазоне высот 60–80 км приводит к увеличениюфазовой скорости. Отметим, что (cм. таблицу 4.1) влияние возмущениймаксимально, если они расположены на высотах ℎ1 и ℎ2 , как это показано вработах [17; 38].Вдвухэкспоненциальноймоделипрофильпроводимостивдвуххарактерных участках нижней ионосферы описывается с помощью четырехпараметров ℎ1 , ℎ2 , 1 и 2 [33]. Их можно определить прямо из профиляпроводимости ионосферы.
Для этого целесообразно взять только участокпрофиля проводимости, который включает в себя высоты ℎ1 < ℎ < ℎ2 , иаппроксимировать его двумя линейными функциями в координатах (ℎ, log ).Вид профиля проводимости на этих высотах достаточно сложен [23]. Значения100характеристических высот ℎ1 и ℎ2 зависят от результата аппроксимациивыбранного участка профиля проводимости. В свою очередь, эти высотыопределяют сам участок аппроксимации. Поэтому для вычисления ℎ1 и ℎ2мы использовали итерационный метод.
В рамках двухэкспоненциальноймодели сначала вычислялись параметры 1 и 2 в начальном диапазоне высот40-90 км, который, как показано в [32; 33], ограничивает сверху и снизухарактеристические слои нижней ионосферы. Затем определялись ℎ1 и ℎ2 ,вновь проводилась аппроксимация профиля проводимости в диапазоне высотℎ1 < ℎ < ℎ2 и снова вычислялись 1 и 2 . Этот процесс повторялся, покаизменения ℎ1 и ℎ2 на каждом шаге составляли более 1% от предыдущейвеличины. В рамках одноэкспоненциальной модели вычислялся параметр = 1 = 2 .
Все дальнейшие операции были такими же, как и в случаедвухэкспоненциальной модели. Как показал опыт, для получения ℎ1 и ℎ2достаточно было сделать 5-10 итераций.Оценивались параметры ℎ1 , ℎ2 , 1 и 2 среднестатистических дневного иночного профилей электронной концентрации, приведенных в [23] (см. рис. 4.2).Слева – дневной и ночной профили ионосферной электронной и ионнойконцентрации, справа – частоты столкновений электронов и ионов.Рисунок 4.2: Дневной и ночной профили электронной и ионной концентрациии частоты столкновений электронов и ионов, взятый из работы [23].Переход от электронной концентрации к проводимости выполнялся спомощью выражения для ионосферной проводимости, приведенного в томчисле в [32]0 2 =101Здесь 2 = 2 / 0 - плазменная частота, - частота столкновений, электронная концентрация, - заряд электрона, - его масса.
Считается, чтодо высоты 150 км можно за частоту столкновений принимать только частотустолкновений электронов с нейтралами [12].Длядемонстрациизависимостихарактеристическихвысоти,следовательно, самой аппроксимации, которая выполнялась в диапазоневысот ℎ1 < ℎ < ℎ2 , от частоты, оценка параметров профиля проводимостиионосферы выполнялась на нескольких частотах, а именно на 40, 100 и 200 Гц.На рисунке 4.3 показаны среднестатистические дневной и ночной профилипроводимости ионосферы, полученные с помощью соответствующих профилейэлектронной концентрации, взятых из [23].
Также показаны экспоненциальная идвойная экспоненциальная аппроксимации этих профилей для частот 40, 100 и200 Гц, соответственно. Горизонтальными линиями отмечены соответствующиеаппроксимациям высоты ℎ1 и ℎ2 .Как видно из рисунка, в диапазоне высот ℎ1 < ℎ < ℎ2 наблюдаетсяхорошее совпадение профиля проводимости и его аппроксимации, какодной экспонентой, так и двумя.
Оцененные высоты ℎ1 и ℎ2 находятсяв пределах выбранного начального диапазона высот (40-90 км) для обеихмоделей, что подтверждает правильность его выбора. При рассмотрениихарактеристических высот, полученных как с помощью одноэкспоненциальной,так и с помощью двухэкспоненциальной модели, с увеличением частотынаблюдается существенное сужение диапазона ∆ℎ = ℎ2 − ℎ1 . Так, на частоте40 Гц для дневного профиля проводимости ∆ℎ составляет примерно 35 км,в то время как на частоте 100 Гц значение ∆ℎ примерно равно 30 км. Этотфакт прямо следует из выражений зависимостей характеристических высотот частоты, (1.9) и (1.10), где высота ℎ1 прямо пропорционально зависитот нее, а высота ℎ2 - обратно пропорционально.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
