Диссертация (1149951), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При его использовании применяются частоты,17значительно превышающие наибольшую критическую частоту ионосферы, что позволяет егоприменять для изучения ионосферы выше главного максимума электронной концентрации(соответствующего– слою). Анализ спектра рассеянного сигнала на электронах средыпозволяет определить ионную и электронную температуру, ионный состав, масштабынеоднородностей, скорость ионного дрейфа. [51 – 54]. Однако этот метод не позволяетисследовать ионосферу на высотах ниже 70 км из-за относительно малых значений электроннойконцентрации.
По этой же причине исследование ионосферы в нижней части– слоянедоступно для импульсного зондирования (вертикального и наклонного), радиопросвечиванияионосферы на радиотрассеспутник – Земля [55, 56]. Одним из методов, позволяющихисследовать нижнюю ионосферу в области высот 50 – 90 км, является метод частичныхотражений, который основан на рассеянии радиоволн на неоднородностях– области ипозволяет определить профиль электронной концентрации [57, 58, 17]. Недостатком данногометода является его низкая чувствительность вблизи 50 км и неприменимость на более низкихвысотах.1.2.1.
СДВ метод анализа нижней ионосферы. Большой интерес при исследованиинижней ионосферы представляет метод анализа данных распространения СДВ радиоволн,который, благодаря сильной зависимости условий распространения волн СДВ диапазона отмалых величин электронной концентрации, является наиболее чувствительными к изменениямионизации в самой нижней части ионосфере и позволяет исследовать динамическиеионизационные процессы в этой области средней атмосферы. Характеристики– слояионосферы определяются путем решения обратной задачи распространения СДВ волн спривлечением одного из двух приблизительно эквивалентных подходов [59].
Первый из нихоснован на представлении поля в виде разложения «по лучам» и нахождении модулякоэффициента отражения электромагнитной волны от нижней границы проводящего слояатмосферы и эффективной высоты , смысл которой состоит в том, что в модельном волноводеземля – ионосфера с вакуумным заполнением реализуется оптический путь, эквивалентныйреальному волноводу [60 – 62]. Второй подход основан на отыскании профиля эффективнойэлектронной концентрации, аппроксимирующего суммарную проводимость электронов иионов. В этом случае поле рассматривается в виде суммы нормальных волн, вычислениекаждой из которых предполагает численное интегрирование уравнения Рикатти по высоте [63,64].1.2.2. Анализ изменяющейся нижней ионосферы СДВ – методом. Как ужеотмечалось, изменения параметров ионосферы бывают периодическими и спорадическими.Периодические вариации состояния ионосферы связаны со временем суток, датой и солнечнойактивностью, определяемой солнечным циклом.
Работы по моделированию высотного18распределения электронной концентрации нижней ионосферы для регулярных вариацийпроводились путем анализа данных о распространении СДВ радиоволн в спокойных условиях[65 – 68]. По полученным результатам удалось построить модель глобального распределенияконцентрации электронов для прогнозирования регулярных вариаций СДВ – поля, связанных сзенитным углом Солнца (суточными вариациями), сезоном и солнечным циклом [69].Вычисление распределения электронной концентрации в условиях возмущенного состоянияионосферы (спорадические изменения) представляют более сложную задачу. Для средних исубавроральных широт в условиях ВИВ, ППШ и вторжения электронных потоков измагнитосферы (с энергией до нескольких единиц МэВ) такая задача решается [70 – 73].
Анализвысокоширотной ионосферы, которая, в отличие от среднеширотной области, редко находитсяв спокойном состоянии и сложно прогнозируема, наталкивается на ряд трудностей, связанных смалым числом измеряемых параметров и неопределенностью начальных условий. В этомслучаемогутбытьполезныдополнительныеданные,получаемыесоспутников,риометрические наблюдения и др. [44]. Одним из примеров успешной реализации совместноиспользуемых данных представлены в работе [74], где исследовались условия распространенияСДВ 19,4 кГц в Антарктиде.
Данные со спутников NOAA-16 и NOAA-17 для вторгающихсяэнергичных протонов (более 16 МэВ) и электронов (более 100 кэВ), а также проведенныйчисленный анализ позволили построить серию профилей электронной концентрации для высот40 – 100 км вдоль неоднородной радиотрассы, поделенной на 12 частей. По найденнымпрофилям удалось получить расчетные суточные вариации для амплитуды и фазы СДВ сигнала(вычислялось среднее значение за 3-х часовой период с 4:00 UT до 7:00 UT), которыеудовлетворительно соответствовали измеренным величинам (усредненным по тому жепериоду).1.2.3.
Самосогласованный СДВ – метод анализа спонтанных возмущений нижнейкромки D – слоя ионосферы и средней атмосферы. Другой возможностью анализа поданным вариаций СДВ сигналов нестационарных процессов высокоширотной ионосферы, несвязанной с использованием дополнительных данных (риометрических, спутниковых и др.),является использование самосогласованного СДВ – метода решения обратной нестационарнойСДВ задачи [75, 62]. Его нетривиальность состоит в определении абсолютных значенийионосферных параметров (являющиеся функциями времени) по относительным вариациямСДВ величин. Идея этого метода состоит в пошаговом определении малых приращенийионосферных параметров по малым изменениям измеренных амплитуд и фаз СДВ сигналов всредней зоне источника (сотни км) для последовательности временных интервалов.
Параметры,характеризующие начальное состояние нижней ионосферы, находятся путем минимизациифункционала – невязки между относительными изменениями измеренных величин амплитуд и19фаз СДВ сигналов и значениями этих же величин, вычисленных по найденнымхарактеристикам. Детальное описание самосогласованного метода анализа состояния нижнейионосферы, а также его численная реализация будут приведены в следующей главе (раздел 2.2и 2.3).Указанным методом можно определить зависимости модуля коэффициента отраженияпервого ионосферного луча R(t) и эффективной высоты h(t) волноводного канала земля –ионосфера во время возмущений, а также во время суточных вариаций (перехода «день –ночь») [61, 62].
Так по данным вариаций сигналов на трех близких частотах для авроральнойрадиотрассы Алдра – Апатиты в спокойных и умеренно возмущенных дневных условияхэффективная высота составляла 60±3 км; в спокойных и умеренно возмущенных ночныхусловиях – 76,5±2 км и 71,5±1,5 км. Вариации значения эффективной высоты для этой жерадиотрассы во время ВИВ и ППШ 29 сентября 1989 года составляли около 10 км. Наибольшиеизменения эффективной высоты наблюдались в некоторых случаях вторжения ультраэнергичных релятивистских электронов – около 30 км. Особенность работы [62] состоит в том,что в ней по данным мониторинга СДВ сигнала радиотрассы Алдра – Апатиты 29 сентября1989 года наблюдалась последовательность геофизических возмущений нижней ионосферы,которая началась в 4:00 UT.
Согласно [62], вторжение протонов с энергией более 60 МэВначалось в 11:45 – 11:50 UT и достигло максимальной интенсивности через сутки (в 12:00 –14:00 UT 30 сентября 1989 года). Вторжению протонов предшествовало начало рентгеновскойвспышки на солнце в 10:40 – 11:00 UT, которая достигла своего максимума в 11:30 – 11:40 UT.Наибольшее по своей интенсивности зарегистрированное по данным вариации СДВ сигналашестичасовое (4:00 – 10:00 UT) возмущение, вызванное вторжением релятивистскихэлектронов, не было отмечено риометрическими наблюдениями. Регистрация поглощениякосмического радиошума по данным риометра началось только с 10:00 UT.1.2.4. Определение профиля эффективной электронной концентрации.
Второйподход к решению обратной СДВ – задачи, в котором искомым является профиль эффективнойэлектронной концентрации также успешно применялся для изучения различных типоввозмущений (ВИВ, ППШ, нерелятивистские авроральные возмущения и явления вторженияультра-энергичных релятивистских электронов) [1 – 3].Нахождение распределения эффективной электронной концентрации по высотепроизводится заданием некоторого параметризованного семейства электронных профилей, изкоторых путем минимизации функционала между экспериментальными и расчетнымизависимостями для амплитуд и фаз СДВ сигналов выбираются параметры профиля, прикоторых достигается минимум этого функционала. Именно работы по вычислениюраспределения эффективной электронной концентрации в случаях аномальных СДВ20возмущений позволили сделать вывод об ионизации атмосферы существенно ниже регулярногоD – слоя, причиной которой является вторжение ультра-энергичных релятивистских электронов[2, 3, 6, 7] с энергией в сотни МэВ.1.2.5.
Эффект геомагнитной отсечки для явления вторжения ультра-энергичныхрелятивистскихэлектронов.ЗарегистрированныеаномальныеСДВвозмущения,свидетельствующие о вторжении в полярную область ультра-энергичных релятивистскихэлектронов, характеризуются качественным подобием и синхронностью вариаций амплитуд ифаз СДВ сигналов на трех частотах (10 – 13 кГц) авроральной радиотрассы (Алдра – Апатиты)и одной частоты (16 кГц) длинной частично авроральной радиотрассы (Рагби – Апатиты) собщей точкой приема в авроральной зоне (Апатиты).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
