Диссертация (1149951), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Вклад дополнительного ослабления сигналакГц, вызванного перевозбуждениемосновной нормальной волны на границе возмущенной области, при определении границывозмущенной области является незначительным на фоне погрешности регистрирующейаппаратуры (до 10%) и ошибки численного анализа в окрестности максимумов сильных (донескольких десятков процентов) и мощных (более 50%) возмущений.87Обсуждение результатов и заключениеОтличительной особенностью представленного в данной диссертационной работеанализа является то, что все полученные характеристики состояния и масштабы возмущеннойобласти средней полярной атмосферы во время вторжения ультра-энергичных релятивистскихэлектронов были получены только на основе имеющихся данных вариаций СДВ радиосигналовпутем совместного решения обратных СДВ задач первого и второго типа. В ходе проведенногочисленного анализа ряда аномальных СДВ возмущений были получены следующие результаты.Определены положения границ широкомасштабных аномальных СДВ – возмущений за1982 – 1987 годы, вызванных вторжением ультра-энергичных релятивистских электронов всреднюю полярную атмосферу Земли путем предложенной и решенной новой обратной СДВ –задачи второго типа.Суть решения обратной СДВ – задачи второго типа состояла вминимизации по расстоянию от точки приема до границы возмущенной области функции –невязки между измеренными и вычисленными вариациями фазы и относительной амплитудысигнала 16 кГц, распространявшегося вдолькусочно–неоднороднойрадиотрассыВеликобритания – Апатиты.
Проведенный анализ показал, что границы рассмотренныхвозмущений сосредоточены в окрестности геомагнитной параллели 61,3 ± 0,7. Говоря онайденных границах возмущений, нужно понимать их как эффективные, так как в рамкахданного анализа они предполагались неподвижными.Рассмотрен вопрос влияния на вычисленную границу вариаций электрических свойствземной поверхности вдоль радиотрассы, а также дополнительного ослабления сигнала,связанного с отражением и перевозбуждением нормальных волн на границе возмущеннойобласти. Оценка влияния на вычисленную границу высыпания вариаций электрических свойствЗемли вдоль радиотрассы была сделана путем сравнения результата, полученного для нулевогозначения импеданса на нижней стенке модельного волновода (Земле), с результатом, которыйбыл вычислен для модели скалистого грунта.
Сравнение показало, что такие вариациипроводимости земной поверхности при решении второй обратной задачи приводит кизменению вычисляемых значений геомагнитных широт границ возмущений на величину,составляющую менее одного градуса. Влияние дополнительного ослабления сигнала,связанного с отражением и перевозбуждением нормальных волн, было установлено путеммоделирования сферического волновода, который состоял из двух частей с резкой границей иразнымиотносительнымикомплекснымидиэлектрическимипроницаемостями,определявшиеся по известным зависимостям эффективной электронной концентрацией отвысоты для невозмущенной и возмущенной части.
Показано, что вклад дополнительного88ослабления сигнала 16 кГц, вызванного перевозбуждением основной нормальной волны награнице возмущенной области, в ошибкуопределения границы возмущенной области внесколько раз меньше погрешности регистрирующей аппаратуры (до 10%) и ошибкичисленного анализа в окрестности максимумов сильных (до нескольких десятков процентов) имощных (более 50%) возмущений.Вычислены зависимости эффективной высоты и модуля коэффициента отраженияпервого ионосферного луча от возникающего спорадического– слоя для совокупности ранеене рассматривавшихся случаев аномальных СДВ возмущений за 1982 – 1987. Путем решенияобратной СДВ – задачи первого типа известным самосогласованным СДВ – методом былоустановлено, что в течение таких событий эффективная высота изменялась от 65 – 60 до 40 км иниже, а модуль коэффициента отражения первого ионосферного луча от возникающегоспорадического– слоя уменьшался от 0,7 – 0,65 до 0,4 – 0,3.
Такие вариации хорошосоотносятся с полученными ранее при анализе других аналогичных СДВ возмущений.Установлен новый и важный эмпирический численный результат, заключающийся в том,что для корректного решения обратной СДВ – задачи первого типа необходимо, чтобы числоэкспериментальныхвременныхзависимостей,характеризующиханомальныеСДВ–возмущения, не менее чем в три раза превышало число искомых параметров, описывающихдинамику электрических свойств спорадического– слоя. При удовлетворении данногокритерия полученный результат (зависимости от времени эффективной высоты и модулякоэффициента отражения) пренебрежимо мало зависел от выбора частоты (10,2; 12,1 или 13,6кГц), относительно которой определяется эффективная высота волновода, а соответствующиезначения функционала – невязки отличались друг от друга не более чем на 10%.
Данноесвойство полученного результата решения обратной СДВ – задачи первого типа является оченьважным, поскольку оно указывает на корректность дальнейшего использования зависимостейот времени эффективной высоты и модуля коэффициента отражения при анализе сигнала болеевысокой частоты 16 кГц и последующего определения границ рассматриваемых случаеваномальных СДВ возмущений.Вычислены собственные значения поперечного оператора для основной нормальнойволны в модельном волноводе «Земля – спорадический– слой» по зависимостям от времениэффективной высоты и модуля коэффициента отражения, которые найденным в результатерешения обратной СДВ – задачи первого типа. Аномальность исследовавшихся СДВ –возмущений потребовали для вычисления собственных значений привлечение несколькихразных подходов и последующее сравнение полученных с их использованием результатов.
Сэтой целью были использованы два точных метода и один приближенный. Сравнение двухотличных друг от друга точных методов (обобщенного метода Шумана и метода89интегрирования уравнения Рикатти) показало почти полное соответствие даваемых этимиметодами результатов, что позволило сделать вывод о корректности найденных собственныхзначений. Вычисления собственных значений по приближенному вариационному методуприводили к результату, отличающемуся от точных методов на величину менее единицы.Однако при использовании собственных значений, полученных по приближенному методу,результат вычисления положения границы возмущенной области отличался не более чем на 10км от полученного значения по точным методам.Сделанвыводоботносительнойоднородностивысыпанийультра-энергичныхрелятивистских электронов в пространственном масштабе авроральной радиотрассы S1 ивозмущенной части смешанной радиотрассы S2.
В рамках представленного в данной работеанализа только предполагалось, что исследовавшиеся аномальные СДВ возмущения являютсяоднородными, однако удовлетворительное соответствие экспериментальных и теоретическихзависимостей от времени амплитуды и фазы сигнала, распространявшегося вдоль радиотрассыS2 Великобритания – Апатиты подтверждает истинность данного предположения. Ранее этоутверждение основывалось только на удовлетворительном соответствии вычисленных иэкспериментальных зависимостей от времени амплитуд и фаз сигналов, распространявшегосявдоль авроральной радиотрассы S1 Алдра – Апатиты.
Новизна полученного результата состоитв том, что данное предположение было подтверждено на основе удовлетворительногосоответствия вычисленных и экспериментальных характеристик сигнала, распространявшегосявдоль радиотрассы S2.Дляколичественнойинтерпретацииявлениявторженияультра-энергичныхрелятивистских электронов в терминах жесткости геомагнитного обрезания (произведениеимпульса частицы на скорость света в вакууме) необходимо знать траектории движущихся вмагнитосфере частиц.
Однако в настоящее время для электронов в области энергий 100 МэВрезультаты траекторных расчетов в реальном магнитном поле не представлены. Тем не менее,можно сравнить полученные в данной работе характеристики геомагнитной отсечки снаблюдениями для вторгающихся солнечных протонов с эквивалентной жесткостью.Наблюдения вторгающихся солнечных протонов были выполнены и обобщены в работе [40]для широкого диапазона жесткости, включающего 100 МэВ. В работе [40] показано, что принизкихзначенияхжесткостях(менее10МэВ)границамагнитнойотсечкиимеетасимметричную овальную форму, геомагнитная широта которой отличается для дневного иночного сектора на величину около 10 градусов. С ростом жесткости вторгающихся протонов,начиная от нескольких десятков МэВ, асимметрия границы быстро исчезает, а разностьгеомагнитных широт для дневного и ночного сектора составляет менее 1 градуса. Отсутствиебольшого расхождения полученных значений геомагнитных широт для границ областей90вторжения ультра-энергичных релятивистских электронов, которые имели место в разное времясуток, является дополнительным косвенным свидетельством большой энергии вторгающихсяэлектронов.
Согласно приведенной в [40] эмпирической формуле для вторгающихся протонов сэнергией 100 МэВ геомагнитная широта обрезания составляет около 65°, что не противоречитполученному для электронов значению (61,3 ± 0,7 градуса). Однако использованиеспутниковых данных мониторинга вторгающихся протонов для оценки энергии релятивистскихэлектронов не может считаться вполне удовлетворительной, так как вторгающиеся протоны сэнергией порядка 100 МэВ описывается классическим уравнением движения, в то время какэлектроны с такими значениями энергии подчиняются нелинейному релятивистскомууравнению движения.
Дальнейшее исследование явления вторжения ультра-энергичныхрелятивистских электронов должно основываться на моделировании их траектории, а такжепрямых космических наблюдений.Основные положения, выносимые на защиту:1.Аномальные зависимости от времени эффективной высоты и модулякоэффициента отражения от верхней границы приземного волноводногоканала, возмущенного потоками ультра-энергичных релятивистскихэлектронов (УРЭ, СДВ – задача 1-ого типа).
Они установлены по наборууникальных экспериментальных СДВ данных, полученных в ПГИ КНЦ РАН втечение десятилетия 1982 – 1992 годы. При их получении путем численногоанализа установлено, что для корректного решения обратной СДВ – задачинеобходимо, чтобы число экспериментальных временных зависимостей,характеризующих аномальные СДВ – возмущения, не менее чем в три разапревышалочислоискомыхпараметров,описывающихдинамикуэлектрических свойств спорадического DS – слоя.2.Значения геомагнитных широт экваториальных границ высыпания УРЭ,c усредненным по событиям значением равным 61,3 ± 0,7 градусов, иметод их определения (решение обратной СДВ – задачи 2-ого типа).Вариации электрических свойств Земли вдоль радиотрассы оказываютнезначительное влияние на значение найденной границы высыпания.3.Обоснование применимости “Обобщенного шумановского метода” дляопределения собственных значений при решении обратной СДВ-задачи 2-91го типа.
Метод моментов дает удовлетворительное приближенное значение вслучаях аномальных возмущений. Обобщенный шумановский метод даетточный результат в тех же случаях. Оба метода применяются к модельномуприземному волноводу с “реальными” импедансными граничными условиямна верхней границе. Эти зависящие от времени импедансы получены врезультате решения обратной СДВ – задачи 1-ого типа.4.Утверждениеомалойзначимостиэффектовотраженияиперевозбуждения основной нормальной волны в другие волны на границевысыпания УРЭ при определении ее геомагнитной широты. Этоутверждениеполученосиспользованиемэффективныхпрофилейэлектрической проводимости, моделирующих спорадический DS – слой, итеории несамосопряженных операторов.5.Утверждение об относительнойпространственныхмасштабаходнородностиавроральнойвысыпаний УРЭврадиотрассыиS1возмущенной части смешанной радиотрассы S2.
Оно подкрепляетсяуспешным решением обратной СДВ – задачи 2-ого типа, которая полностьюопирается на решение 1-ой задачи. Решения задач строятся на допущении опродольной однородности возмущенных участков радиотрасс в каждыймомент времени.БлагодарностьАвтор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам Полярногогеофизического института Кольского научного центра Российской академии наук (ПГИ КНЦРАН) за возможность использования экспериментальных СДВ данных для анализа.92Список литературы1. Белоглазов М. И., Ременец Г.Ф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
