Диссертация (1149951), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Отличие полярной области земной ионосферы отсреднеширотной ее части состоит в том, что она редко находится в спокойном геофизическомсостоянии из-за вторжения корпускулярных потоков, источниками которых чаще всегоявляется активность Солнца [10 – 12]. Солнечная активность может влиять на ионосферу Землине только непосредственным воздействием рентгеновского излучения и корпускулярныхпотоков, как это происходит в случае внезапных ионосферных возмущений (ВИВ) ипоглощения в полярной шапке (ППШ), но и опосредованно – через возмущение параметровсолнечного ветра, приводящему к сбросу энергичных частиц из магнитосферы.141.1.1.
Внезапные ионосферные возмущения (ВИВ).Внезапные ионосферныевозмущения в освещенной части ионосферы длительностью несколько десятков минутвызываются всплесками рентгеновского и коротковолнового ультрафиолетового излученияСолнца во время хромосферных вспышек, которые уверенно регистрируются спутниковымидетекторами [13 – 15]. В течение данного типа возмущений происходит аномальный ростэлектронной концентрации примерно на порядок ви на десятки процентов в нижней части– слое ионосферы (на высотах 60 – 85 км)– области [16, 17]. В случае сильных возмущенийзначительная доля энергии вспышки в виде гамма-излучения вызывает ионизацию нижнейионосферы (до 30 км) [18, 19].
Рост электронной концентрации приводит к ряду эффектов,связанных с распространением радиоволн: затухание КВ-радиоволн из-за поглощения в–области; внезапные аномалии в распространении радиоволн СДВ диапазона, связанные спонижением уровня и изменением отражательной способности– области; ослаблениюсигналов внеземного происхождения (космического радиошума). Последнее систематическинаблюдается риометрами (Relative Ionospheric Opacity Meters – измерители относительнойионосферной непрозрачности [20]) [21]. На внезапное увеличение проводимости и,соответственно, изменения токовой системы магнетометры, отслеживающие изменениягеомагнитного поля, реагируют коротким всплеском, имеющим название "кроше" [22, 23, 18].1.1.2.
Поглощение в полярной шапке (ППШ). Солнечные вспышки большойинтенсивности сопровождаются не только всплеском волнового излучения, но и выбросомкорпускулярных потоков (главным образом протонов с энергиями в десятки МэВ и более.).Протоны с энергиями более 20 МэВ, вторгаясь в нижнюю ионосферу и ионизуявызываютпоглощениерадиоволн,характеризуемоеуменьшением– слой,интенсивностипринимаемого на Земле космического радиошума [24, 25], и приводят к росту минимальнойчастоты радиоволн, отраженных от ионосферы при вертикальном или наклонном зондировании(возвратно – наклонном зондировании) [26 – 28].
На изменения электронной концентрации вовремя ППШ реагируют сигналы спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС), чтоиспользуется при исследовании такого рода возмущений методом радиопросвечивания натрассе спутник – Земля [29 – 32]. Наиболее энергичные протоны ионизируют атмосферу нааномально низких высотах (ниже 50 км) и по своему воздействию могут превосходить эффектырентгеновского излучения сильных ВИВ. Энергичные протоны, ответственные за ППШ,генерируются во время вспышек, при этом момент начала ППШ задержаны относительномомента начала вспышки. Время запаздывания начала ППШ определяется не только энергиейпротонов, но и длиной пути их распространения от Солнца, которое происходит вдоль сложныхтраекторий, зависящих от места вылета и характера силовых линий межпланетного магнитного15поля.ПродолжительностьППШопределяетсядлительностьюиинтенсивностьюпорождающего ее события и может составлять несколько суток.По риоиетрическим наблюдениям было установлено, что поглощение космическогорадиошума в периоды протонных вторжений ограничено приполюсными областями нагеомагнитной широте примерно 65°.
Локализация явления в полярных областях обусловленавлиянием геомагнитного поля. Это явление впервые было объяснено Штермером, которыйзанимался проблемой описания динамики частицы в магнитном дипольном поле дляобъяснения возникновения полярных сияний. Им было показано, что заряженная частица,приходящая из бесконечности к Земле, обладающей дипольным магнитным полем, не можетдостичь ее поверхности южнее геомагнитной широты, если ее импульс меньше, ГэВ (где c – скорость света) [33, 34]. Реальное магнитное поле Земли вполярной области сильно отличается от поля магнитного диполя из-за воздействия солнечноговетра, параметры которого зависят от активности солнца.
Влияние этих неоднородностейгеомагнитного поля приводит к возникновению изгибов и аномалий границ геомагнитногообрезания (границ области вторжения), которые наиболее сильнее проявляются в окрестностимагнитных полюсов Земли [35 – 37].Прямые спутниковые измерения высокоэнергичных потоков позволяют детальнопроанализировать некоторые сильные возмущения в полярной области. Так в работе [38] припомощи прямых измерении удалось получить зависимости энергии высыпания протонов (вдиапазоне 0,39 – 7,47 ГэВ) от геомагнитной широты в разные моменты времени возмущения 14декабря 2006 года. Было показано, что в течение возмущения наиболее сильно значениегеомагнитной широты вторжения в земную атмосферу менялось для менее энергичныхпротонов (более 5° для 0,39 – 0,46 ГэВ), при этом индекс геомагнитной активности kp, которыйрассчитывают каждые три часа по измерениям вариаций магнитного поля на несколькихстанциях, расположенных в различных точках Земли [39] составлял от 1 до 9 (в максимумевозмущения).
В работе [40] по данным полярной спутниковой группировки NOAA POES (PolarOrbiting Environmental Satellites) и последующего моделирования были определены областивторжения протонов с энергией до 70 МэВ в спокойных геомагнитных условиях и во время ужеупомянутого возмущения 14 декабря 2006 года. Показано, что, в отличие от результата теорииШтермера, граница области вторжения при значениях энергии частиц до 10 МэВ в спокойныхгеомагнитных условиях имеет четко выраженную эллиптическую форму. Для частиц болеевысоких энергий граница области вторжения приобретала форму окружности, которая лучшесоответствовала теории Штермера.
В [40] также приводится эмпирическое соотношение дляграницы области вторжения протонов в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях16разной интенсивности, но применимость их для определения границы области вторженияультрарелятивистских энергичных электронов не доказана.1.1.3. Электронные потоки. Вторжение из магнитосферы в земную атмосферуэлектронных потоков с энергией несколько десятков кэВ сопровождается явлениемаврорального поглощения космического радиошума [41, 42], которое регистрируется вкольцевой зоне с максимумом появления примерно на 67° геомагнитной широте,смещающимся на более низкие широты с ростом магнитной активности. Вторжениярелятивистских электронов с энергией более нескольких сотен кэВ не регистрируютсяриометрами в полосе частот 30 – 40 МГц, что связано с существенным смещением к землемаксимума ионизации атмосферы этими электронами (ниже нижней границы регулярного–слоя) [43] и, возможно, с тенденцией к уменьшению плотности потока релятивистскихэлектронов с ростом их энергии.
По наблюдениям за аномальными вариациями СДВ сигналовавроральной радиотрассы было показано, что часто вторжение релятивистских электроновпредшествует моменту начала активизации суббури от нескольких минут до нескольких часов[44]. Ультрарелятивистские электроны с энергией более нескольких десятков МэВ генерируютжесткое рентгеновское и гамма излучение, проникающее вглубь средней атмосферы иионизирующее ее на высотах ниже 40 км [2 – 5, 44].Потокирелятивистскихэлектроновсэнергиейдо10МэВобнаруживаютсяспутниковыми детекторами во внешнем и внутреннем радиационном поясе Земли ([45, 46, 15])Анализ данных спутниковой регистрации показывает, что ускорение электронов до такихэнергий связано с воздействием солнечного ветра на магнитосферу Земли [47 – 50]. Следуетотметить, что в настоящее время спутниковая регистрация электронных потоков с энергиями всотни МэВ не производится.1.2.
Радиофизический СДВ метод анализа состояния нижней ионосферыВторжение корпускулярных частиц из космоса приводит к ионизации земнойатмосферы, причем с ростом энергии частиц максимум ионизации смещается вниз по высоте.Самые энергичные частицы оказывают наиболее сильное воздействие на регулярныйионосферный– слой и ниже. Это обстоятельство указывает на важность мониторингасостояния средней атмосферы.В настоящее время наиболее информативным методом радиозондирования ионосферыявляется метод некогерентного рассеяния.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
