Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности быстрого западного дрейфа плазмы на субавроральных широтах по данным наземных и спутниковых измерениий 11
1.1 Характеристики поляризационного джета по спутниковым измерениям 11
1.2 Ионосферные проявления поляризационного джета по наземным данным 18
1.3 Механизмы генерации интенсивных электрических полей вблизи проекции плазмопаузы 28
Выводы 34
ГЛАВА 2. Использованная аппаратура и методы исследований 36
2.1 Якутская меридиональная цепочка ионозондов 36
2.2 Спутниковые измерения поляризационного джета и его «автограф» на ионограммах наземного зондирования 39
2.3 Регистрация поляризационного джета по данным цифровых ионозондов на станциях Якутск и Жиганск - экспериментальные данные 47
Выводы 56
ГЛАВА 3. Характеристики поляризационного джета по измерениям на разнесённых' по долготе станциях и со спутников 59
3.1 Характеристики поляризационного джета по данным наземных измерений 60
3.1.1 Наблюдения поляризационного джета на станциях Якутск и Подкаменная Тунгуска 60
3.1.2 Динамика развития поляризационного джета во время суббуревых возмущений 61
3.1.3 Определение скорости перемещения источника поляризационного джета по данным разнесённых по долготе станций 66
3.2 Формирование поляризационного джета при суббуревой инжекции энергичных ионов во внутреннюю магнитосферу 70
3.2.1. Результаты синхронных измерений инжекции энергичных ионов со спутника АМРТЕ/ССЕ и регистрации поляризационного джета на сети ионосферных станций 70
3.2.2 Определение скорости смещения на запад фронта поляризационного джета по долготной цепочке наземных ионосферных станций 78
3.2.3 Оценка времени формирования поляризационного джета 80
Выводы 85
ГЛАВА 4. Моделирование влияния поляризационного джета на структуру субавроральной ионосферы 86
4.1 Математическая модель высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера 86
4.2 Модельные расчеты распределения концентрации электронов в ионосфере при включении сильных электрических полей магнитосферного происхождения 92
4.3 Моделирование сезонных особенностей поляризационного джета... 104
Выводы 109
Заключение 111
Список использованной литературы
- Ионосферные проявления поляризационного джета по наземным данным
- Спутниковые измерения поляризационного джета и его «автограф» на ионограммах наземного зондирования
- Наблюдения поляризационного джета на станциях Якутск и Подкаменная Тунгуска
- Модельные расчеты распределения концентрации электронов в ионосфере при включении сильных электрических полей магнитосферного происхождения
Введение к работе
В настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований поляризационного джета по данным наземных измерений на меридиональной и долготной цепочках ионосферных станций с привлечением спутниковых измерений. Также приведены модельные расчёты в рамках трёхмерной модели высокоширотной ионосферы, модернизированной с учётом включения локального электрического поля магнитосферного происхождения.
Актуальность исследования
Физические явления, происходящие в ионосфере субавроральных широт, давно привлекают внимание учёных. К наиболее интересным явлениям этой зоны можно отнести появление узких струй быстрых субавроральных ионных дрейфов к западу вблизи проекции плазмопаузы на высотах области F ионосферы. Это явление впервые было обнаружено Ю.И. Гальпериным [1] по данным спутника «Космос-184» и названо им поляризационным джетом.
Ввиду условий вмороженности плазмы такая узкая полоса дрейфа на высотах области F отождествляется с регистрируемым спутниками развитием локального, направленного к полюсу электрического поля на экваториальной границе зоны конвекции. Скорость плазмы в полосе поляризационного джета достигает на высотах области F сверхзвуковых значений - до 4-5 км/с, что соответствует величине электрического поля до долей Вольта на метр.
Существование поляризационного джета приводит к целому ряду резких структурных изменений в ионосфере, таких как образование узкого провала в широтном ходе электронной концентрации, нагрев плазмы, появление плазменных неоднородностей, которые оказывают влияние на условия распространения радиоволн, тем самым отражая изменения космической погоды.
Несмотря на то, что экспериментальные и теоретические исследования поляризационного джета ведутся уже несколько десятилетий, природа его до
конца не выяснена, и исследование этого явления до сих пор остаётся актуальной задачей физики ионосферы.
Основной целью диссертации является экспериментальное и теоретическое исследование характеристик поляризационного джета. В связи с этим ставились следующие задачи:
1. Исследование пространственно-временной динамики
поляризационного джета методом вертикального зондирования ионосферы
по данным сети ионосферных станций.
-
Изучение процесса формирования поляризационного джета и его связи с началом суббури по наземным данным.
-
Исследование связи инжекции энергичных ионов с возникновением поляризационного джета по спутниковым данным и наземным измерениям.
4. Теоретическое исследование влияния быстрых субавроральных
ионных дрейфов на структуру субавроральной ионосферы при
возникновении сильных локальных электрических полей магнитосферного
происхождения.
Научная новизна
1. На основе анализа данных наземных измерений поляризационного
джета на пространственно-разнесенных по долготе ионосферных станциях
впервые получена оценка скорости движения фронта поляризационного
джета.
2. Впервые показано, что в околополуночном секторе MLT
формирование поляризационного джета происходит на взрывной фазе
суббури.
3. Экспериментально подтвержден физический механизм
формирования поляризационного джета за счет инжекции энергичных ионов
во внутреннюю магнитосферу.
4. На основе анализа экспериментальных данных и сравнения с
модельными расчётами показано влияние электрического поля
поляризационного джета на структуру и динамику F-слоя ионосферы.
Научная и практическая ценность
Полученные в работе результаты позволили выявить связь между появлением поляризационного джета и временем начала суббури, что может быть использовано для исследования магнитосферно-ионосферного взаимодействия, диагностики и прогноза взаимосвязанных физических процессов, определяющих космическую погоду.
Личный вклад автора
Все основные результаты, представленные в диссертации, получены при личном участии автора. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе ионосферных и спутниковых данных, модельных расчётах, самостоятельно подобрал и проанализировал необходимые материалы ионосферных наземных и спутниковых измерений. Автору в равной степени с соавторами принадлежат все полученные научные результаты и выводы.
Защищаемые положения
-
Экспериментально показано, что формирование поляризационного джета происходит вблизи местной магнитной полуночи во время начала суббуревых возмущений.
-
По данным синхронных наземных радиофизических измерений и регистрации со спутника энергичных ионов с энергиями 20-50 кэВ в магнитосфере показано, что поляризационный джет возникает в области экваториальной границы инжекции ионов во внутреннюю магнитосферу.
-
Теоретически показано, что возникновение поляризационного джета сопровождается существенным изменением структуры и динамики субавроральной ионосферы - образованием узкого провала в широтном ходе электронной концентрации за счет выноса ионосферной плазмы с вечерней стороны на дневную.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, определяется использованием физически обоснованных методов и
представительной статистикой наблюдений, а также использованием современных методов моделирования. Полученные экспериментальные материалы подтверждаются результатами, опубликованными другими авторами.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, обсуждались на семинарах ИКФИА СО РАН, ИСЗФ СО РАН, СФТИ ТГУ, кафедры радиофизики и электроники ФГАО ВПО СВФУ, были доложены на XXIV и XXV ежегодном Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений» (Апатиты, 2001; 2002), Международной «Байкальской школе по фундаментальной физике» (Иркутск, 2002; 2003; 2005), аспирантских чтениях, форумах и конференциях научной молодёжи Якутии (Якутск, 2002; 2004; 2007; 2009; 2010), Международной конференции «Солнечно-земная физика» (Иркутск, 2004), Всероссийской конференции «Современные проблемы космической физики» (Якутск, 2007), Международной школе молодых учёных «Физика окружающей среды» (Томск, 2008; 2010; 2011), Лаврентьевских чтениях (Якутск, 2008), XI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2010), на XXIX и XXX Международной конференции, посвященной явлениям в ионизованных газах «International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Канкун, Мексика, 2009; Белфаст, Ирландия, 2011).
Различные аспекты работы, положенные в основу диссертации, прошли экспертизу и выполнялись по программам фундаментальных исследований ИКФИА СО РАН, а также были поддержаны грантами РФФИ № 02-02-26525-зм, 03-05-96081-р2003арктика_а, 09-02-09406-моб_з, 09-05-98501-р_восток_а, 09-05-98546-р_восток_а. Часть исследований была выполнена в рамках конкурса СО РАН по организации и финансированию фундаментальных исследований молодых учёных Учреждения Российской академии наук Сибирского отделения РАН по приоритетным направлениям науки.
Публикации
Основной материал диссертации опубликован в 19 работах, из них 4 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 127 страниц машинописного текста, включая приложение, 42 рисунка, 3 таблицы, библиографию из 119 наименований. Полный список работ автора приведён в основном тексте диссертации.
Ионосферные проявления поляризационного джета по наземным данным
Явление быстрого дрейфа ионов в западном направлении, возникающее вблизи полярной стенки главного ионосферного провала (ГИП), было открыто при исследовании первых прямых измерений дрейфа ионосферной плазмы, проведённых на спутнике "Космос-184" и названо авторами «поляризационным джетом» - «polarization jet» (PJ) [24, 84]. "Космос-184" был запущен 25.10.1967 (круговая орбита, высота -630 км, угол наклонения к экватору /=81,2). Во время магнитной бури 3 ноября 1967 года на экваториальной границе расширившейся и усилившейся полосы дрейфа к востоку вдоль аврорального овала (отождествляемой с зоной отрицательного электроджета) на инвариантной широте Л0 60 в околополуночном секторе MLT во время вспышки суббури была зарегистрирована узкая (шириной порядка 100 км) и интенсивная полоса дрейфа ионов к западу со скоростью больше 1,9 км/с. Разность электрических потенциалов поперёк полосы, оцененная по скорости дрейфа к западу, составила более 11,8 кВ. По данным [24, 84] в ночном секторе неоднократно наблюдались аналогичные, но менее интенсивные полосы западного дрейфа ионов вблизи границы конвекции и полярной стенки ГИП.
На рисунке 1.1, взятом из работы [24], приведены данные измерений боковой компоненты V/ горизонтальной скорости конвекции на спутнике «Космос-184» во время бури 03.11.1967. На пролёте 146N в околополуночном секторе (MLT 0,8 час) на широтах Л0 = 59,5-60,5 в 17:39 UT была замечена узкая, но очень интенсивная полоса дрейфа к западу (на рисунке обозначена цифрой 1) со скоростью более 1,9 км/с, что соответствует меридиональной северной компоненте электрического поля Е 85 мВ/м. Через 40 минут спутник почти на той же инвариантной широте, но в вечернем секторе (-21,0 MLT) пересёк аналогичную узкую струю дрейфа к западу, также располагавшуюся на экваториальной границе широкой полосы западного дрейфа в субавроральной зоне.
Позднее, по измерениям ионного состава и электронной плотности со спутника S3-2 (запущен на полярную орбиту в декабре 1975 года, первоначальный апогей 1556 км, перигей 240 км, наклонение 96,3, спиновый период 20 секунд) авторами [58] было представлено несколько случаев регистрации сильных локальных, направленных к полюсу электрических полей (и, соответственно, быстрого дрейфа плазмы к западу) вблизи ионосферной проекции плазмопаузы в предполуночном секторе MLT.
Эти поля спорадически наблюдались на L 2,4 - 4 и всегда вблизи локального минимума электронной концентрации с пространственным масштабом менее 100 км. Электрическое поле имело преимущественную компоненту, направленную к полюсу (с максимумом в одном из случаев в 280 мВ/м).
Аналогичный результат был получен и при анализе данных измерений спутника OGO-6 (запущен 22 октября 1977 года с наклонением 28,8, апогей 23,2 RE, период обращения порядка 57 часов) в работе [45], где сообщалось о регистрации поляризационного джета в магнитосфере на L = 4, в 23.00 MLT, спустя примерно 1,5 часа после начала магнитосферной суббури. Измеренное поле на ионосферных высотах имело величину 90 мВ/м. Авторы [46] отметили, что электрические поля с подобными характеристиками могут встречаться также и на магнитосферных высотах. COSMOS 184
Первый случай регистрации поляризационного джета, данные спутника «Космос-184». Слева - результаты измерений горизонтальной составляющей скорости дрейфа в северном полушарии (случай PJ обозначен цифрой 1). Ограничение шкалы прибора на уровне v/=±l,6 км/с показано короткими прямыми линиями, параллельными оси UT. Справа для пролёта 146 в полярной системе координат схематически показаны направления дрейфа на разных широтах для моментов времени, указанных на левом рисунке [24] В статье [62] по данным спутника Atmosphere Explorer С (АЕ-С) были проанализированы скорости дрейфа и концентрации ионов на ионосферных высотах за февраль - март 1975 года. В ночном секторе вблизи минимума главного ионосферного провала регистрировался устойчивый дрейф плазмы к западу. На полюсном крае провала часто наблюдались резкие всплески дрейфа к западу, до 2,5 км/с, что соответствует направленному к полюсу электрическому полю 125 мВ/м.
Результаты анализа почти 5-летних наблюдений со спутника АЕ-С узких струй быстрого ионного дрейфа, направленных к западу и регистрируемых, преимущественно, в секторах MLT 18.00 - 02.00, характеристики которого идентичны явлению, называемому в данной диссертационной работе «поляризационным джетом» были приведены в работе [64] и названы SAID («subauroral ion drift») - «субавроральный ионный дрейф». Авторы описали характерные особенности этого явления - расположение на 55-70 инвариантной широты, пространственное совпадение узкой области быстрых скоростей и резких градиентов концентрации ионов на высотах 180 - 600 км.
Отмечалось, что во всех случаях наблюдения узких струй в провале скорость дрейфа в них была направлена к западу вплоть до утренних часов местного времени. Авторы [64] обнаружили связь появления PJ со среднеширотным провалом (что в дальнейшем было подтверждено в работах [1, 2, 21, 34, 35, 54 и др.]), заметив, что расположение PJ по MLT и магнитной широте согласуется с движением ГИП. Причём авторы [1] и [35] предполагали наличие ГИП необходимым условием для возникновения PJ. Также в работе [64] была замечена зависимость появления поляризационного джета от суббуревой активности, как и в дальнейших работах авторов [1, 35, 55 и др.].
На рисунке 1.2 из работы [64] на круговой полярной шкале (в координатах инвариантная широта - MLT) показано направление, связанное с «автографом» скорости. Видно, что «пик» скорости направлен в сторону запада, что авторами было идентифицировано как интенсивное, направленное к полюсу электрическое поле.
Спутниковые измерения поляризационного джета и его «автограф» на ионограммах наземного зондирования
В ИКФИА СО РАН получил развитие метод исследования высокоширотной ионосферы на меридиональной цепочке ионозондов вертикального и возвратно-наклонного зондирования ионосферы. Достоинство этого метода заключается в его доступности, относительной простоте и дешевизне. Получаемых данных достаточно для мониторинга пространственно-временной динамики основных ионосферных структур.
Якутская меридиональная цепочка станций расположена вдоль восточной долготы 130, на L 3.0 - 5.5 и состоит из трёх пунктов - Тикси, Жиганск, Якутск (координаты станций см. в Приложении). Она представляет собой систему из трех однотипных, разнесенных на 600 км вдоль магнитного меридиана, совмещенных ионозондов для вертикального и возвратно-наклонного радиозондирования ионосферы и наборов антенн к ним. Широтное положение этих станций охватывает всю субавроральную зону и даёт возможность непрерывно следить за состоянием ионосферы, положением и перемещением основных структурных образований в ионосфере авроральных и субавроральных широт [102].
С помощью импульсного радиозондирования в декаметровом диапазоне проводится излучение радиоволн и наблюдение их отражений от ионосферных слоев. Измеряются время запаздывания, интенсивность, и формы отраженных сигналов. Метод вертикального радиозондирования (ВЗ) с поверхности Земли позволяет измерять вертикальный профиль электронной концентрации на высотах от 90 км до 250 - 400 км - высоты главного ионосферного максимума 2-слоя. При использовании метода наклонного зондирования (НЗ) передатчик и приемник разнесены, а излучаемые радиоволны падают на ионосферу наклонно, что даёт возможность исследовать характер распространения радиоволн на заданной радиотрассе. При возвратно-наклонном зондировании (ВНЗ) в одном пункте совмещаются приемная и передающая установки, что позволяет проследить характер изменения ионосферы в горизонтальном направлении [82].
Меридиональная цепочка ионозондов (МЦИ) ВЗ и ВНЗ позволяет круглосуточно контролировать состояние ионосферы (с 15-минутным интервалом зондирования в патрульном режиме) и по характерным особенностям широтного распределения электронной плотности области F и наклонных отражений следить за динамикой главного ионосферного провала (ГИП) и различных неоднородностей ионизации. Наблюдаемые в F-области на ионограммах ВЗ дополнительные спорадические следы типа F3 s представляют собой наклонные отражения от аномальной неоднородной ионизации F-слоя. і 35-отражения позволяют проследить формирование поляризационного джета [74]. Ионосферная станция Тикси (L-6) была создана на базе типового ионозонда "АИС" с дополнительной антенной "горизонтальный ромб" типа РГ-60/2 0,5, реверсируемой в направлениях север - юг. Антенна ориентирована по геомагнитному меридиану. С помощью «АИС» возможно проводить зондирование ионосферы на рабочих частотах ионозонда (1-20 МГц) в области высоких широт.
Станция Жиганск (L-4) находится в области плазмопаузы [101]. Здесь проводятся измерения методами ВЗ и ВНЗ на север и юг, даюоЫ информацию о фоновой ионизации в F, Е -областях, о ГИП и спорадических образованиях в F и -слоях вблизи плазмопаузы. В 1977-2003 гг. зондирование ионосферы проводилось на ионозондах "АИС" и "Вертикаль", а с 2003 г. на станции эксплуатируется цифровой ионозонд DPS-4. Якутская ионосферная станция (L-3) с 2002 г. оборудована прибором DPS-4; ранее использовались ионозонды АИС и "Вертикаль".
Цифровой ионозонд DPS-4 состоит из основного блока, мониторов, двух передающих антенн, четырех поляризованных приемных антенн, GPS-приёмника и блока батарей резервного питания [104]. Основной блок включает в себя два компьютера, передатчик, четыре приемника и сигнальный процессор. Основной компьютер управляет процессами приёма и передачи, считывает данные из выходного буфера сигнального процессора, осуществляет преобразование данных в необходимый формат, записывает данные на жесткий диск вспомогательного компьютера. Вспомогательный компьютер осуществляет вторичную обработку принятых данных, записывает их на жёсткий диск, на CD-диск и пересылает на удалённый сервер через FTP-канал.
DPS-4 одновременно измеряет семь наблюдаемых параметров отраженных сигналов, получаемых от ионосферы: частоту, дальность (или высоту для вертикальных измерений), амплитуду, фазу, доплеровское смещение и ширину, угол прихода, волновую поляризацию электромагнитной волны. На рисунке 2.1 представлена фотография портативного дигизонда DPS-4, находящегося на ионосферной станции Якутск. Станция включена в мировую сеть ионосферных станций (код YA462). Обработанные данные измерений можно найти в Мировом Центре Данных по солнечно-земной физике в Москве, а цифровые ионограммы в базе данных цифровых ионограмм Digital Ionogram DataBase по адресу: http://umlcar.uml.edu/DIDBase. Спутниковые измерения поляризационного джета и его «автограф» на монограммах наземного зондирования
Основным спутником для исследования формирования и динамики поляризационного джета был выбран высокоапогейный АМРТЕ/ССЕ (рис. 2.2 а) - один из трёх спутников миссии Active Magnetospheric Particle Tracer Explorer (AMPTE), специально созданной для исследования источников, транспорта и ускорения энергичных магнитосферных ионов, изучения взаимодействия между облаками холодной, плотной, искусственно инжектированной плазмы и горячей, намагниченной магнитосферной плазмы и плазмы солнечного ветра (СВ). Этот выбор объясняется тем, что именно прибор ССЕ спутника АМРТЕ измеряет спектральные характеристики и параметры высокоэнергичных высыпающихся ионов на высотах, близких к ионосферным.
Спутник АМРТЕ-ССЕ был запущен на околоэкваториальную эллиптическую орбиту 16 августа 1984 года с наклонением 4,2, периодом -16 ч., перигеем 1124 км и апогеем 49926 км (8.8 RE), оснащён тремя высокочувствительными приборами: НРСЕ (Hot Plasma Composition Experiment), МЕРА (Medium Energy Particle Analyzer) и CHEM (Charge-Energy-Mass Spectrometer). Спектрометр CHEM измерял массовый состав, энергетические спектры и питч-угловое распределение всех основных ионов от Н до Fe с энергиями от 0,3 до 300 кэВ. Схема прибора изображена на рисунке 2.2 6.
Наблюдения поляризационного джета на станциях Якутск и Подкаменная Тунгуска
sТакое ограничение было наложено в связи с тем, что характерное временя жизни PJ как полосы быстрого дрейфа плазмы к западу, определенное по измерениям со спутников [1, 3, 35, 45, 46, 71], составляет около трёх часов. В то же время возникшая в результате структура узкого провала в провале электронной плотности в ионосфере (названная в [86] «провал в провале») может существовать в неосвещенной Солнцем ионосфере более длительное время уже без электрического поля и дрейфа, давая вклад в так называемый «остаточный провал». Очевидно, такая структура будет при этом продолжать наблюдаться при ионосферном зондировании, но это уже не будет PJ. Из рисунка 3.3 видно, что коэффициент корреляции между началом суббури и. появлением PJ для Якутска составляет 0.95, а для Подкаменной Тунгуски 0.91. Штриховая линия на этих рисунках отмечает начало суббури, то есть нулевую задержку между рассматриваемыми явлениями.
Сравнение хода линейной аппроксимации массива точек с линией нулевой задержки показывает возрастание средней задержки регистрации PJ в более ранние часы местного времени. В среднем время запаздывания PJ относительно момента начала суббури составляет около двух часов в раннем вечернем секторе и уменьшается до получаса вблизи полуночи. Эта средняя величина запаздывания согласуется с результатом, полученным по измерениям со спутника DE-2 [1, 3]. Однако, как видно из приведенных результатов наземных измерений, некоторая часть событий, относящихся к околополуночному сектору, соответствует появлению PJ в ходе взрывной фазы суббури. Этот результат противоречит общепринятой точке зрения о формировании PJ на фазе восстановления сусбури (см., например, [1, 35]).
Ранее считалось, что поляризационный джет формируется на фазе восстановления суббури [1, 3, 35, 62, 64]. Авторы [10] связывали появление PJ с главной фазой магнитной бури. Но прямые измерения со спутника могут уступать наземным данным при точно:": временной привязке момента появления поляризационного джета над станцией относительно фаз суббури. На наш взгляд, именно особенности методики наземных измерений поляризационного джета с помощью ионозондов на разнесённых по долготе станциях, лучшее временное разрешение и существенно большая статистика по сравнению со спутниковыми измерениями лежат в основе такого различия результатов. Тем более, что некоторое количество случаев коротких задержек ( 10 минут и менее) были отмечены в ряде работ, например в [9, 35], но внимание на них не акцентировалось.
Следовательно, из анализа приведённых выше данных можно сделать вывод, что для событий, наблюдающихся в околополуночном секторе, развитие поляризационного джета происходит одновременно или с минимальным ( 10 мин) запаздыванием относительно начала суббури. Причём эти события соответствуют высокой геомагнитной активности (АЕ 500 нТ).
Определение скорости перемещения источника поляризационного джета по данным разнесённых по долготе станций
В работе [80] мы сделали оценку скорости перемещения источника PJ. При изолированных магнитных возмущениях с АЕ 500 нТ в интервале 11:00-16:00 UT полоса PJ перекрывает сектор 3 часа MLT между станциями Якутск и Подкаменная Тунгуска. Следовательно, при изолированных возмущениях станции наблюдения должны регистрировать одно и то же явление, т.е. поляризационный джет, вызванный этой активизацией возмущения. Примеры таких изолированных магнитных суббурь приведены на рисунке 3.4 - для 23 февраля и 13 ноября 1991 года. Красными стрелками отмечены моменты регистрации поляризационного джета на станции Якутск, синими - на ст. Подкаменная Тунгуска.
На рисунке 3.5 приведена гистограмма распределения случаев запаздывания регистрации PJ между станциями Якутск и Подкаменная Тунгуска. Сопоставление времен регистрации поляризационного джета на этих ионосферных станциях проводилось по реперному времени, т.е. моменту регистрации PJ на ст. Якутск. Временной шаг распределения - 15 мин, а количество событий N = 31. 2200 ип 2000 ]
Распределение времени запаздывания регистрации PJ между Якутском и Подкаменной Тунгуской; отобраны случаи изолированных суббурь Как видно из рисунка, время начала PJ на ст. Подкаменная Тунгуска запаздывает в среднем на один час по сравнению с моментом начала PJ на ст. Якутск.
Расстояние между станциями Якутск и Подкаменная Тунгуска по дуге большого круга составляет 2100 км. Среднее время задержки регистрации поляризационного джета между станциями - приблизительно 60 мин. Таким образом, средняя скорость поляризационного джета на уровне ионосферы составляет около 2110 км/ч или около 590 м/с (соответствующее электрическое поле -30 мВ/м), что хорошо согласуется с прямыми измерениями дрейфов ионосферной плазмы методом Д1 в области поляризационного джета [112], а также со спутниковыми измерениями [3, 64, 10]. Во время сильных суббурь критические частоты слоя F2 резко падают и можно наблюдать только слабо выраженные эффекты PJ.
Таким образом, во время изолированных суббурь, поляризационный джет на станции Подкаменная Тунгуска запаздывает на 1 час по сравнению с моментом начала регистрации PJ на ст. Якутск, что соответствует скорости перемещения источника PJ с востока на запад со скоростью -590 м/с.
Представленные случаи наблюдений (рисунки 3.3, 3.4 и 3.5) показывают, что запаздывание в появлении PJ относительно вспышки АЕ-индекса минимально для суббуревых событий вблизи местной магнитной полуночи. При этом в некоторых случаях эти события приходятся на фазу взрыва суббури. Но надо заметить, что наземные данные (рис. 3.3) для вечернего сектора показывают среднее время запаздывания PJ относительно начала суббури порядка 1.0-1.5 часов и хорошо согласуются с данными работ [1, 35 и др.].
Модельные расчеты распределения концентрации электронов в ионосфере при включении сильных электрических полей магнитосферного происхождения
В работе [105] рассмотрено сезонное распределение частоты появления поляризационного джета по данным графиков Якутской меридиональной цепочки станций ВЗ Якутск - Батагай - Тикси за период максимума (1968 -1969 г.г.) и минимума 1973 - 1974 г.г. солнечной активности. Показано, что частота появления срывов /QF2 имеет ярко выраженные пики в периоды весеннего и осеннего равноденствия. В зимние месяцы наблюдалось уменьшение частоты появления срывов, а в летние - их практически полное отсутствие (рис. 1.4).
Для объяснения данных сезонных особенностей влияния PJ на структуру субавроральной ионосферы нами [27, 75] проведены расчёты на трёхмерной модели высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера, учитывающей поляризационный джет и UT-контроль для трёх сезонов - равноденствия, летнего и зимнего периодов (при склонении Солнца 8 = 0- равноденствие, 23 - лето, - 23 - зима) на основе теории «полной тени», то есть пренебрегая слабыми остаточными дрейфами и ветром нейтралов в провале. показаны изолинии рассчитанной электронной концентрации в максимуме слоя Fl (nmF2) в экваториальной плоскости в географической системе координат при скорости поляризационного джета v = 1000 м/с, что соответствует значению электрического поля Е = 51 мВ/м. За внешним кругом указаны долготы и местное время для момента мирового времени UT = 09:00 часов (а) и UT = 18:00 (б). Положение терминатора (граница освещенной и неосвещенной частей Земли) обозначено жирной линией, положение плазмопаузы - штриховой линией. Направление поляризационного джета показано стрелками.
Область «полной тени» [99], лишённая источников прямой, как волновой, так и корпускулярной, ионизации, формирующаяся в зимний период в восточном полушарии вследствие несовпадения географического и геомагнитного полюсов, показана в виде заштрихованного серпа.
Видно, что в равноденствие (рис. 4.10 а) в вечернем секторе на долготах станции Якутск (ср = 129, восточное полушарие) наблюдается узкий провал ионизации, тянущийся вдоль границы плазмопаузы (изолиния nmF2 = 2.2 -Ю3 см"), который формируется в результате выноса ионизации с ночной стороны на дневную направленным к западу дрейфом плазмы. Для этого же местного времени в западном полушарии на долготах (рис. 4.10 б) можно наблюдать возникновение узкого провала ионизации, но смещённого в более ранние вечерние часы.
В период летнего солнцестояния в восточном и западном полушариях (рис. 4.11 а, б), несмотря на полное освещение субавроральной ионосферы, при больших значениях скорости дрейфа плазмы порядка v = 1000 м/с и более также могут формироваться слабовыраженные провалы ионизации в области действия PJ.
В условиях зимнего солнцестояния (рис. 4.12 а) субавроральная ионосфера на долготах станции Якутск оказывается в области «полной тени», вследствие чего вынос плазмы с ночной на дневную сторону становится невозможным. В то же время глубокий провал ионизации образуется в области «полной тени» в результате рекомбинационных процессов (nmF2 10 см" ). При моделировании возникновения поляризационного джета в западном полушарии в условиях зимнего солнцестояния (5 = -23) провал исчезает (рис. 4.126Можно видеть, что при моделировании явления PJ в западном полушарии на долготах ф = 240- 300 появление PJ в форме глубокого узкого провала ионизации наблюдалось в 00 UT в вечернем секторе на 5 = 0 (равноденствие) и 23 (летнее солнцестояние). Дрейф плазмы в этих случаях направлен поперёк контуров изолиний. При 5 = -23 (зимнее солнцестояние) провал исчезает. В течение этого периода область формирования PJ расположена на теневой стороне. Дрейф плазмы в этом случае направлен вдоль контуров и, как результат, локальное электрическое поле не приводит к структурным изменениям в ионосфере.
Сопоставление модельных расчетов с экспериментальными данными показало, что сезонные особенности проявления поляризационного джета, как по 7\3,у-отражениям на ионограммах, так и по рассчитанным узким провалам ионизации на высотах F-области субавроральной ионосферы хорошо согласуются. Существенные изменения в пространственно-временном распределении электронной концентрации происходят в весенне-осенний период, в летний - во время усиления магнитосферного электрического поля, а в зимних условиях изменения за счет быстрого субаврорального дрейфа минимальны.
