Диссертация (1149951), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Суть этого явления, как установленокосвенным СДВ – методом анализа, заключается во вторжении в среднюю полярную атмосферуЗемли высокоэнергичных релятивистских электронов с энергией ~100 МэВ. Вторгающиесяэлектроны тормозятся в окрестности 40 км над поверхностью земли и генерируют тормозноерентгеновское излучение, которое ионизирует атмосферу в области 10 – 40 км и вызываетпоявление спорадического– слоя [2, 6, 7, 8]. Пространственный масштаб таких возмущенийсоизмерим с авроральной зоной Земли, а их длительность составляет от десятка минут донескольких часов.
Факт существования описанного явления был получен только косвеннымметодом благодаря многолетним и непрерывным наземным измерениям амплитуд и фазсверхдлинноволновых (СДВ) сигналов 10 – 16 кГц на полностью авроральной и частичноавроральной радиотрассах [2, 5]. Данный тип аномальных атмосферных возмущений нерегистрируется другими известными средствами мониторинга состояния области нижнейионосферы – средней атмосферы. Кроме того, не существует прямых (спутниковых) измеренийуказанных спорадических электронных потоков такой большой плотности в ближнем космосе.5Названное спорадическое явление оказалось новым для геофизики.
Одной из важнейшихособенностей наблюдавшегося явления состоит в том, что вторгающиеся в верхнюю атмосферуэлектроны не проникают в средние широты. Согласно грубой оценке эта величинасоответствует ~ 60° N [5]. Проблемаопределения южной (экваториальной) границывозмущения по наземным СДВ данным в условиях отсутствия спутникового мониторинганазванных корпускулярных высыпаний является актуальной задачей. Она является таковой сточки зрения познания нового геофизического явления, с точки зрения сохранностителекоммуникационнойаппаратуры в ближнем космосе и с точки зрения безопасностифункционирования живых объектов в средней атмосфере в условиях тормозных рентгеновскихлучей.
При этом отмечаем, что мониторинг СДВ – сигналов в полярной области остаетсяединственным средством исследования случаев вторжения высокоэнергичных релятивистскихэлектронов, то дальнейший более детальный анализ имеющихся СДВ данных представляетсяактуальной задачей.Цель работыЦелью данной работы является определение планетарных масштабов возмущений за1982 – 1987 годы, вызванных вторжением высокоэнергичных релятивистских электронов вполярную область атмосферы, по известным данным вариаций СДВ сигналов в диапазоне 10 –16 кГц, которые распространялись вдоль полностью и частично высокоширотных радиотрасс.Задачами диссертации являются:1. Исследование динамики электрических свойств средней атмосферы на начальнойи восстановительной стадиях спорадических аномальных СДВ-возмущений:нахождение временных зависимостей модуля коэффициента отражения первогоионосферного луча и эффективной высоты возмущенного волноводного канала«Земля – ионосфера» по известным вариациям амплитуд и фаз сигналоввысокоширотной радиотрассы Алдра – Апатиты.
Такое исследование в настоящейработе определено как решение обратной СДВ – задачи первого типа. Основнымпризнаком аномальности возмущения является качественное подобие вариацийвсех трех СДВ – сигналов, отличающихся друг от друга значениями частоты.Указанное подобие на тех же расстояниях (около 1000 км – средняя зонарасстояний от источника СДВ – излучения) никогда не наблюдалась в средних инизких широтах.2. Исследование корректности решения обратной СДВ – задачи по причинам: 1)характерный масштаб неоднородности по вертикале ионизованного атмосферного6слоя соизмерим с длиной электромагнитной волны; 2) связь между параметрамиэлектрическойпроводимостислояихарактеристикамираспространениятрансцендентная, и поэтому соответствующая обратная задача неоднозначна; 3)эффективные частотные полосы амплитудных каналов (пиковые детекторы) вэксперименте были на несколько порядков больше, чем полосы фазовых каналов(синхронное детектирование); 4) скорость изменения состояния электрическихсвойствионизованного«инерционностью»слоянеамплитудныхобязанаиаприорифазовыхбытьканалов;5)согласованнойснеприменимостьстандартных методов оценки погрешностей конечного результата; 6) возможныеизменения отношения сигнал / шум по амплитудным каналам на порядок (от 10 до 1)по причине интерференционного характера изменений сигналов в указанной зонерасстояний.3.
Определение глобального масштаба возмущений, вызывавшихся вторжением ватмосферу УРЭ: определение южной (экваториальной) границы области вторженияпотока высокоэнергичных релятивистских электронов по известным амплитудным ифазовым вариациям СДВ – сигнала, распространяющегося вдоль частичновысокоширотной радиотрассы Великобритания – Апатиты.
Это исследование внастоящей работе определено как решение обратной СДВ – задачи второго типа.Такая задача никем не решалась даже для случаев вторжения протонов ватмосферу Земли, исследование которых непрерывно ведется в течение более 70лет.4. Оценка влияния на определение границы возмущения эффектов отражения иперевозбуждения нормальных волн на неоднородности радиотрассы, порождаемойвысыпанием УРЭ и вариаций проводимости земной поверхности вдоль радиотрассы.5.
Выполнить сравнительный анализ точности трех алгоритмов вычислениясобственных значений поперечного оператора для волновода «Земля – ионосфера(спорадический– слой)» в импедансной постановке задачи: обобщенного методаШумана [92], метода интегрирования нелинейного уравнения Рикатти [63, 64] иприближенного вариационного метода моментов [59]. Исторический возврат куказанной импедансной постановке вычислительной задачи стал возможен благодарярешению обратной СДВ – задачи первого типа.
Нахождение комплексногокоэффициента отражения волны от верхней среды по экспериментальным СДВданным одновременно означает нахождение «экспериментального»значенияимпеданса.6. Ответить на вопрос о степени пространственной однородности высыпаний УРЭ.7Научная новизна:Представленные в данной диссертации оригинальные результаты были полученычисленными методами на основе существующей теории распространения сверхдлинныхрадиоволн. Алгоритм вычисления зависимостей от времени эффективной высоты и модулякоэффициента отражения от верхней среды приземного волновода каналабыл взят изимеющихся литературных источников (самосогласованный метод решения обратной СДВ –задачи [62, 75]) и применен к набору СДВ – возмущений за 1982 – 1987 годы, которые ранее неисследовались.Полученныеаномальныевариацииэлектрическихпараметровспорадического слоя ионизации дополняют статистику исследованных аномальныхвозмущений и одновременно являются неотъемлемым этапом решения основной задачинашей работы – задачи по определению границы высыпания.
Использованный алгоритмопределенияюжнойграницыявлениявторженияультра-энергичныхрелятивистскихэлектронов по наземным СДВ данным является абсолютно оригинальным.1. Решена обратная СДВ – задача 1-ого типа для представительного набора случаеввторжения УРЭ, наблюдавшихся в 1982 – 1987 годах.2. Впервые была решена обратная СДВ-задача 2-ого типа для неоднороднойрадиотрассы Великобритания – Апатиты и определена южная граница высыпанияультра-энергичных релятивистских электронов.
Впервые “точно” учтен эффектперевозбуждения основной нормальной волны в другие нормальные волны награнице области вторжения высокоэнергичных электронов (на границе соспорадическим– слоем).3. Выполнен сравнительный анализ точности и эффективности трех методоввычисления собственных значений для поперечного оператора, соответствующемусферическому изменяющемуся во времени волноводу, с помощью которогомоделируется динамика аномального возмущения приземного волноводныйканал с спорадическим Ds-слоем.4.
Численным методом показано, что для корректного решения обратной СДВ –задачи 1 – ого типа необходимо, чтобы число входных экспериментальных функцийвремени, характеризующих аномальные СДВ – возмущения, не менее чем в три разапревышало число искомых параметров, характеризующих динамику электрическихсвойств возникающего спорадического– слоя.5. Впервые с помощью представленного численного анализа (совместного решенияобратных СДВ – задач 1 – ого и 2 – ого типа) аргументирована относительная8однородностьвозмущенияэлектрическойпроводимостив–слоевпространственном масштабе соизмеримым с площадью 10 градусов долготы на 5градусов широты.Достоверность результатовОсновные результаты работы получены с помощью двух широко известных методоврешения задач распространения волн СДВ диапазона в волноводном канале земля – ионосфера[59].
Первый из них является лучевой метод, который был использован при анализе динамикиэлектрических свойств волноводного канала «Земля – ионосфера (спорадический– слой)».Второй метод, основывающиеся на представлении решения виде ряда нормальных волн, былприменен при решении обратной СДВ задачи для неоднородной радиотрассы Великобритания– Апатиты.Приведенный в настоящей работе численный анализ был выполнен на основеэкспериментальных СДВ – данных, полученных сотрудниками ПГИ КНЦ РАН в 1982 – 1992 гг.Достоверность этих экспериментальных данных подтверждена какбольшим числомпубликаций сотрудников ПГИ КНЦ РАН, так и использованием СДВ – данных при проведениигеофизического и численного анализа СДВ – возмущений различной геофизической природы:вторжение в среднюю атмосферу ультра-энергичных релятивистских электронов, высыпаниеавроральных электронов, высыпания солнечных протонов (явление ППШ), рентгеновскиевспышки на Солнце, переходные условия «день – ночь» на радиотрассе распространениясигнала [1 – 8].Основным критерием достоверности представленных результатов на всех этапахпредставленного анализа является малость функционала-невязки в случае первой обратнойСДВ – задачи и функции-невязки в случае 2-ой обратной СДВ – задачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
