Содержание к диссертации
Введение
1 Неоднородная структура высокоширотной ионосферы и радиофизические методы ее исследования 18
1.1 Высокоширотная ионосфера 18
1.2 Крупномасштабная структура
1.2.1 Главный ионосферный провал и его динамика 22
1.2.2 Авроральный овал и его структура 24
1.2.3 Спорадические слои Е
1.3 Среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения 27
1.4 Мелкомасштабная структура 33
1.5 Сравнительный анализ параметров неоднородностей различных масштабов 43
1.6 Влияние гидромагнитных волн на формирование тонкой структуры ионосферы 47
1.7 Радиофизические методы исследования неоднородной структуры ионосферы высоких широт 54
1.8 Выводы 58
2 Методы измерений, измерительный комплекс и система обработки данных 60
2.1 Измерительный комплекс 60
2.1.1 Основные положения, принципы построения измерительного комплекса 60
2.1.2 Структурная схема и основные технические характеристики измерительного комплекса 63
2.1.3 Управление ионозондом 67
2.1.4 Первичная обработка данных 69
2.2 Методика измерений и обработки данных разнесенного приема 71
2.2.1 Фазовый метод 71
2.2.2 Метод Д1
2.3 Тестирование и калибровка 77
2.4 Выводы 82
Структура и динамика ионосферных неоднородностеи различных масштабов 83
3.1 Сравнение параметров ионосферных неоднородностеи, по лученных фазовым методом, методами подобных замира ний и полного корреляционного анализа 83
3.1.1 Сравнение результатов, полученных методами Д1: МПЗ и ПКА 83
3.1.2 Сравнение результатов, полученных фазовым методом и методом Д1 86
3.2 Суточный ход усредненных параметров мелкомасштаб ных неоднородностеи и среднемасштабных ПИВ 90
3.2.1 Классификация экспериментального материала 90
3.2.2 Методика измерений и обработки данных 92
3.2.3 Суточный ход для августа-сентября (слой F2) 94
3.2.4 Суточный ход для апреля (слой F2) 97
3.2.5 Суточный ход для марта (слой F2) 100
3.2.6 Суточный ход для февраля (слой F2) 103
3.2.7 Суточный ход для параметров слоя Е-спорадичес-кого 104
3.2.8 Обобщение полученных результатов
3.3 Влияние геомагнитной активности на вариации ионосферных параметров 112
3.4 Выводы 119
Ионосферные проявления геомагнитных пульсаций 120
4.1 Постановка задачи. Исследуемые типы геомагнитных пульсаций 120
4.2 Методика проведения эксперимента 121
4.3 Экспериментальные результаты 122
4.3.1 Вариации ионосферных параметров во время на
блюдения регулярных геомагнитных пульсаций 122
4.3.2 Вариации ионосферных параметров во время наблюдения иррегулярных геомагнитных пульсаций РІ2 128
4.4 Возможные механизмы 133
4.5 Выводы 139
Заключение 140
Благодарности 142
Литература
- Главный ионосферный провал и его динамика
- Основные положения, принципы построения измерительного комплекса
- Суточный ход усредненных параметров мелкомасштаб ных неоднородностеи и среднемасштабных ПИВ
- Вариации ионосферных параметров во время наблюдения иррегулярных геомагнитных пульсаций РІ2
Главный ионосферный провал и его динамика
Крупномасштабная структура высокоширотной ионосферы является отражением характерной структуры и динамики в магнитосфере [2]. Конфигурация и положение крупномасштабных структур ВИ существенно зависят от состояния магнитосферной плазмы и распределения электрических полей, которые в свою очередь тесно связаны с параметрами солнечного ветра. Поэтому пространственно-временное распределение высокоширотных слоев носит динамичный характер и значительно изменяется в зависимости от геофизической обстановки [11, 12, 13, 32].
Знание положения и динамики границ этой струкутры очень важно для правильной интерпретации многих наземных данных и понимания процессов магнитосферно-ионосферного взаимодействия. Кроме того, как отмечается в работе [52], крупномасштабные неоднородности высокоширотной ионосферы оказывают существенное влияние на распространение радиоволн КВ-диапазона.
К наиболее существенным крупномасштабным неоднородностям относятся главный ионосферный провал, авроральныи овал, включающий протяженные области спорадической ионизации в Е-области [95].
Главный ионосферный провал - постоянно существующая особенность внешней ионосферы, которая наблюдается во все сезоны как в ночные, так и в дневные часы. Вблизи полуночи провал наблюдается в 90% случаев, в восходно-заходные в 60%, и около полудня - примерно в 50% случаев. Положение ГИП показывает существенные суточные вариации, мало меняющиеся с сезоном и в цикле солнечной активности. Вблизи полуночи экваториальная граница ГИП находится примерно на инвариантных широтах 58-60 и вблизи полудня - на 74-77. С изменением магнитной активности, которая характеризуется трехчасовым индексом магнитной активности Кр, провал смещается в экваториальном направлении примерно на 2 на единицу Кр. Ширина ГИП, определяемая разностью широт экваториальной и полярной стенок, не является постоянной и существенно изменяется в зависимости от времени суток, сезона и магнитной активности. На высотах максимума слоя F2 отчетливо прослеживается UT-контроль (зависимость от мирового времени) ширины провала: в 06 UT провал вдвое уже, чем в 18 UT [119]. ГИП является значительно более сложным образованием, чем простое снижение электронной плотности в определенном интервале широт. В области ГИП имеют место широтные и высотные аномалии в распределении температуры заряженных частиц, изменении ионного состава, дрейфа плазмы и т.д. Образование ГИП - одно из проявлений ионосферно-магнитосферного взаимодействия, определяющего в целом режим высокоширотной ионосферы.
На Норильской КМИС в течении многих лет проводились исследования состояния ионосферы в районе движения ГИП [85, 67]. Многолетние исследования позволили сделать заключение, что ГИП есть естественная граница раздела высокоширотной и среднеширотной ионосферы. Были описаны условия появления аномальной ионизации в F-области ионосферы на северной границе ГИП [86], представлены вариации высотного распределения электронной концентрации в течении суток при различном уровне магнитной активности, когда Норильск переходит из среднеширотной зоны в область ГИП и авроральной ионизации и обратно [68, 67], получены зависимости времени появления ГИП над Норильском от магнитной активности [85]. По результатам полярных экспедиций, в частности "Таймыр-82" [27], по меридиональной цепочке станций были проведены: статистический анализ ионосферных возмущений, построены картины развития ионосферной бури на разных широтах, определено положение ГИП [50, 187]. Для Норильска пространственно-временное положение ГИП в зависимости от местного времени и значения Кр-индекса определяется формулой: Л = 150.6 — Ы — 25, где Л - инвариантная широта, t - время, отсчитываемое от местной полуночи [68]. Анализируя комплекс геофизических явлений в ночном секторе, авторы [101, 67] пришли к выводу, что появление северной границы провала над станцией может служить предвестником магнитосферной суббури.
Результаты проведенного в работах [67, 101, 85] анализа позволяют сделать вывод, что вид ионосферного возмущения, связанного с прохождением над станцией ГИП и его северного края, существенно зависит от широты места наблюдения, магнитной и солнечной активности и сезона. Норильск в ночные часы при отсутствии геомагнитных возмущений достаточно долго находится в зоне ГИП (с 18 LT до 9 LT) и электронная концентрация над ним не превышает 104см_3. При небольших возмущениях появляются наклонные отражения в F-области от движущегося к станции резкого градиента ионизации на северном крае ГИП, которые переходят в вертикальные отражения, когда аномальная ионизация оказывается над станцией. При дальнейшем повышении геомагнитной активности (Кр 4) северный край ГИП проявляется в виде экранирующих спорадических слоев с концентрацией выше 105см 3. Переход к равноденствию в Норильске приводит к уменьшению продолжительности времени, когда провал находится над станцией. С повышением солнечной активности уменьшается время, когда электронная концентрация не превышает 105см 3 [67]. Широта провала уменьшается с ростом суммарного Кр и время его присутствия сдвигается на более ранние часы утром и более поздние вечером [101].
Авроральный овал обычно находится между 60N и 80N магнитными широтами и образует вытянутую петлю вокруг магнитного полюса севернее ГИП. Авроральный овал проецируется на магнитные силовые линии, уходящие в хвост магнитосферы, и является границей между замкнутыми и разомкнутый силовыми линиями. Благодаря этому в авроральной зоне, особенно в возмущенные периоды на ночной стороне, происходят высыпания энергичных частиц магнитосферного происхождения. Высыпания корпускулярных частиц является причиной наблюдаемых в этой зоне авроральных сияний (за что она и получила свое название) и ионизации ионосферы. В зимний период, при отсутствии солнечной ионизации, этот источник ионизации является основным, а в период равноденствия, особенно в возмущенные периоды, вносит существенный вклад. Увеличение авроральной активности приводит к расширению аврорального овала и его движению в южном направлении.
Авроральный овал неоднороден по своей структуре. Он включает в себя полярный и авроральный пики, которые образуют область повышенной ионизации, расположенную на широтах севернее ГИП. Полярный пик - это область повышенной ионизации на дневной стороне в интервале инвариантных широт 70-80. Авроральный пик представляет собой область повышенной ионизации на ночной стороне. Этот пик формирует высокоширотную стенку ГИП. Важной характеристикой повышенной ионизаци является расеянный характер отражения и значительная изменчивость ионизации ото дня ко дню. Область максимальной изменчивости совпадает с областью повышенной электронной плотности [93]. Максимум интенсивности мелкомасштабных неоднородностей примерно соответствует положению аврорального овала [36] и существенно зависит от уровня магнитной активности. Неоднородности AN/N 2% здесь присутствуют практически постоянно. Во время магнитных возмущений регистрировались изолированные неоднородности с поперечными размерами менее 1 км и относительными изменениями концентрации AN/N 20%. На ночной стороне амплитуда неоднородностей максимальна у экваториальной границы авроральной зоны.
Интенсивные высыпания формируют спорадические слои Е. Под воздействием мощных электрических полей магнитосферного происхождения, достигающих в спокойных условиях 20-50 мВ/м, в возмущенных условиях пиковые значения могут превышать 200 мВ/м. На высотах Е-слоя ионосферы формируются ионосферные токи (аврораль-ные электроджеты), основными компонентами которых являются восточный и западный электроджеты. Восточный ток течет в вечерне-предполуночном секторе, западный - в послеполуночном секторе и частично проникает в предполуночный сектор приполюсной стороны восточного электроджета. Соответственно, неоднородности электронной концентрации ионосферной плазмы восточного электроджета движутся в западном направлении, западного - на восток. Граница, разделяющая собой восточный и западный электроджеты в месте их встречи, носит название разрыв Харанга (РХ) и расположена в предполуночном секторе [106].
Авроральный овал является источником крупномасштабных неоднородностей, распространяющихся во время магнитных возмущений в южном направлении. В ряде работ (см. напр. [165, 207, 152]) в качестве источников среднемасштабных волновых неоднородностей рассматриваются авроральный овал и элементы его неоднородной структуры, такие как РХ, авроральные электроджеты, области интенсивных высыпаний корпускулярных частиц. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в 1.4.
Основные положения, принципы построения измерительного комплекса
Структурная схема комплекса РПДУ - радиопередающее устройство; - радиоприемное устройство; БИУ - блок индикации и управления; КПП - коммутатор "прием-передача"; АФУ - антенно-фидерное устройство; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; САК - синхронизатор антенного коммутатора; Б АО С - блок аналоговой обработки сигнала; АД - амплитудный детектор; УД - управляемый делитель; СМ - смеситель; ПД - пиковый детектор; ПС - плата согласования; - управляемая задержка; - переходная колодка. Относительный уровень подавления любой высшей гармонической составляющей в рабочем диапазоне частот не менее 10 дБ, а на частотах выше 48 МГц - не менее 40 дБ. На схеме устройство Р-017 разбито на четыре функциональных узла: РИДУ (радиопередающее устройство); РПУ (радиоприемное устройство); БИУ (блок индикации и управления); КПП (коммутатор "прием-передача" ). БИУ управляет работой РПУ и РПДУ и выдает изображение ВЧХ на электронную лучевую трубку с послесвечением. РПДУ формирует мощный радиоимпульс и через КПП выдает его на АФУ (антенно-фидерное устройство) . КПП производит переключение АФУ с выхода РПДУ после излучения зондирующего импульса на вход РПУ и для защиты входа РПУ на время излучения зондирующего импульса. РПУ осуществляет прием и усиление входных сигналов с тройным преобразованием частоты. В состав РПУ входит также синтезатор частоты, формирующий номиналы несущей частоты зондирующих импульсов и частот гетеродина для смесителей приемного тракта.
Частотная сетка ионозонда имеет фиксированный шаг с дискретом 100 кГц, что слишком грубо для ряда задач исследований ионосферной структуры и не обеспечивает возможности управления от IBM PC. Поэтому синтезатор частоты Р-017 был заменен на синтезатор частоты радиоприемного устройства Р-399А, имеющего шаг по частоте от 1 Гц и дистанционное управление частотой. В результате замены синтезатора в Р-017 на синтезатор из Р-399А частотная сетка ионозонда может иметь шаг по частоте в 1 кГц Л/", где N задается с компьютера.
Для дополнительного усиления радиосигнала с выхода РПУ используется усилитель промежуточной частоты (УПЧ) Р-399А, перестроенный на промежуточную частоту Р-017.
Излучение импульсного сигнала в режиме вертикального зондирования производится с помощью "дельта"-антенны зенитного излучения. Ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности изменяется в пределах от 80 до 120.
В качестве приемных антенн разнесенного приема в измерительном комплексе использованы полуволновые вибраторы длиной 50 м. Антенны расположены в вершинах прямоугольного треугольника, ориентированного по сторонам света, с катетами длиной 100 ш: а - опорная антенна, b - северная, с - восточная антенна, d - расстояние между антеннами.
Антенный коммутатор предназначен для коммутации приемных антенн разнесенного приема на вход РПУ. Антенный коммутатор состоит из четырех одинаковых коммутирующих элементов, работающих на общую нагрузку. С целью стабилизации переходных характеристик коммутатора коммутирующие элементы выполнены на основе герконовых реле.
Блок аналоговой обработки сигнала состоит из следующих функциональных узлов: управляемый делитель (УД), балансные смесители (СМ), амплитудный детектор (АД), пиковый детектор (ПД). Управляемый делитель формирует стробимпульсы для установки длительности регистрируемого сигнала и синхроимпульсы для управления СМ, ПД и блоком согласования.
Балансные смесители предназначены для выделения квадратурных компонент. Для выделения низкочастотных сигналов для SIN- и COS-компонент сигнал ПЧ умножается на опорный сигнал 128000 Гц (для cos - компоненты) и на опорный сигнал, сдвинутый по фазе на —90 (для sin-компоненты). Балансные смесители собраны на диодных мостовых схемах с трансформаторными входом и выходом. Опорные генераторы и гетеродины ионозонда Р-017 синхронизированы синхронометром 47-15 частотой 5МГц (долговременная нестабильность - Ю-9).
Фильтрация высокочастотной составляющей производится фильтром низкой ч&схоты с полосой 1 кГц. Огибающая отраженного от ионосферы сигнала выделяется на линейном амплитудном детекторе, собранном на операционных усилителях.
Пиковые детекторы запоминают и хранят в течении рабочего такта максимальную амплитуду сигнала, поступающего со смесителей. Перед началом очередного такта происходит сброс ПД.
Блок согласования состоит из: платы согласования (ПС), блока управляемой задержки (УЗ), синхронизатора антенного коммутатора (САК). Плата согласования служит для включения-выключения ионозонда Р-017 по команде с компьютера. Блок управляемой задержки формирует временную задержку в интервале от 0.2 до 2.7 млс, что позволяет регистрировать отраженный сигнал в заданном диапазоне высот (от 30 до 400 км). Синхронизатор антенного коммутатора переключает каналы АК в заданной последовательности.
Для управления ионозондом Р-017, радиоприемным устройством Р-399А и блоком согласования используется персональный компьютер IBM PC-386DX стандартной конфигурации и дополнительные переферийные устройства: плата АЦП - 12 разрядный АЦП, 16 однополюсных каналов, время преобразования АЦП - 4 мкс; порты ввода/вывода.
На рис. 2.2, приведены временные диаграммы, иллюстрирующие временные соотношения в измерительном комплексе. С ионозонда синхронизирующий импульс подается на ПС и УЗ. На УЗ, в зависимости от высоты отражающего слоя /г , оператором устанавливается временная задержка от 0.2 до 2.7 млсек, что соответствует диапазону высот Ы от 30 до 400 км. По импульсу с УЗ сбрасывется ПД и запускается строб-импульс на УД. Ширина строба также выбирается оператором в зависимости от степени диффузности сигнала. По заднему фронту строба переключается АК, по переднему фронту запускается АЦП, расположенное в IBM PC. Это цикл повторяется для трех рабочих каналов.
Суточный ход усредненных параметров мелкомасштаб ных неоднородностеи и среднемасштабных ПИВ
Полученные экспериментальные результаты можно объяснить следующим образом. Увеличение интенсивности авроральных электрод-жетов приводит к усилению генерации АГВ/ПИВ, что проявляется в увеличении амплитуды вариаций / , упорядочивании направления движения ат среднемасштабных ПИВ и увеличении их скорости vm. В это же время происходит усиление интенсивности неоднородностей более мелкого масштаба, чем СМ ПИВ, что проявляется в уширении спектра fa- Учитывая, что авроральная струя в слабовозмущенных условиях проходит в среднем на 5 севернее Норильска [69], воздействие от авроральных электроджетов должно передаваться в ионосферу над Норильском со скоростями, значительно превышающими скорости распространение АГВ в нейтральной атмосфере. Возможно, это свидетельствует об электромагнитной природе передачи возмущения.
Усиление интенсивности аврорального тока также вызывает возникновение различного типа неустойчивостей ионосферной плазмы. Это приводит уменьшению размеров а и времени жизни Th ММН. Электрические поля, генерируемые при протекании тока на высоте слоя Е, передаются в слой F2 ионосферы и вызывают упорядочивание направления движения as в западном направлении, а также увеличение скорости движения ММН vs. Взаимосвязь АЕ индекса с параметрами ММН не столь отчетлива. Возможно, это связано с тем, что возмущение параметров ММН происходит с задержкой во времени. Этот факт был обнаружен при исследовании взаимосвязи между индексам АЕ и параметрами ММН в 70-е годы в Норильске [69]. Было показано, что рост индекса АЕ опережает рост частоты фединга и скорости движения ММН приблизительно на 40 мин. Учитывая расстояние до авроральной струи, скорость распространения возмущения получилась равной 200 м/с. На основании этого факта предполагалось, что возмущение пере 118 носится из области авроральнои электроструи в южном направлении с помощью нейтральных ветров.
1. Проведено сравнение параметров ионосферных неоднородностей, полученных одновременно фазовым методом и методами Д1 (полного корреляционного анализа и методом подобных замираний). Показано: а) Направление и скорость ММН, полученные МПЗ и ПКА, совпадают при степени анизотропии ех « 1. При увеличении анизотропии ионосферных неоднородностей эти методы дают различные результаты, б) Существует взаимосвязь между параметрами, полученнымим фазовым методом {fdi&fd) и методом ПКА (Т/г, а, ех).
2. Направления и скорости движения мелкомасштабных неоднородностей и среднемасштабных ПИВ различны. Среднемасштабные неоднородности движутся, в основном, в южном направлении со скоростями 40-100 м/с. Преимущественное направление движения мелкомасштабных неоднородностей - восточное и западное, скорости лежат в диапазоне от 100 до 200 м/с.
3. Для Норильского региона для августа, апреля, марта, февраля получен суточный ход усредненных параметров ионосферных неоднородностей: доплеровского смещения частоты fd, ширины доплеровского спектра afd] азимутального ф и зенитного 0 углов прихода радиоволны, отраженной от ионосферы; направления ат и скорости vm перемещения СМ ПИВ; размера большой оси характеристического эллипса а; времени жизни ММН Г/г; эксцентриситета или степени анизотропии ех; направления а3 и скорости vs перемещения ММН.
4. Получена зависимость параметров среднемасштабных ПИВ от геомагнитной активности. Авроральная активность значительно влияет на доплеровское смещение частоты fd, ширину доплеровского спектра 8fdt скорости и направления перемещения ММН vs,as и СМ ПИВ vm, ат.
Как показано в обзоре (см. гл. 1.6) взаимосвязь между неоднородной структурой и геомагнитными пульсациями представляет несомненный интерес, с одной стороны, для исследования влияния гидромагнитных волн на неоднородную структуру высокоширотной ионосферы и, с другой стороны, для изучения самих геомагнитных пульсаций. К сожалению, до сих пор нет четкого представления как о морфологии, так и о физической природе связей между вариациями параметров ионосферы и геомагнитными пульсациями.
Кроме того, существует и прикладной аспект изучения данной проблемы. Перевод радиотехнических систем КВ-диапазона с аналоговых на цифровые сигналы потребовал изучить воздействие ионосферных возмущений с периодами секунды-сотни секунд на характеристики КВ-канала связи. До сих пор этот диапазон ионосферных возмущений остается мало изученным. Главной причиной этого является малое временное разрешение большинства технических средств диагностики ионосферы, методические вопросы.
Целью данной экспериментальной работы являлось установление закономерностей поведения высокоширотной ионосферы в периоды наблюдения геомагнитных пульсаций различных типов.
Геомагнитные пульсации делятся на два основные класса: устойчивые Рс1-5 и иррегулярные пульсации Pil-РіЗ. Для устойчивых ГП характерна квазисинусоидальная форма и устойчивый режим колебаний. Иррегулярные пульсации носят нерегулярный характер, часто имеют вид непродолжительных всплесков с широким и нестационарным спектром частот [103, 104].
В высоких широтах наиболее часто наблюдаются регулярные ГП типа РсЗ-5 и иррегулярные типа РІ2. Пространственный масштаб этих ГП порядка 1000 км. Геомагнитные пульсации типов РсЗ-4 являются наиболее распространенными колебаниями, регистрируемыми на земной поверхности. Их генерация характерна для утренних и дневных часов местного времени и может иметь длительный характер. В ряде случаев наблюдается глобальное возбуждение пульсаций, в том числе и в ночные часы. Существует тесная взаимосвязь параметров РсЗ-4 с процессами, протекающими в магнитосфере. Диапазон периодов РсЗ составляет 10-45 с, Рс4 - 45-150 с. ГП типа РсЗ находится на пределе разрешения наших инструментов и в данной работе не рассматривается. ГП Рс5 от других типов устойчивых пульсаций отличает не только значительно больший период (150-600 с), но и огромные амплитуды. В высоких широтах у них амплитуда 40-100 нТл. Пульсации Рс5 являются, в основном, высокоширотным явлением.
Пульсации типа РІ2 (диапазон периодов 40-150 с) являются одним из наиболее характерных элементов взрывной фазы суббури. Начальный момент взрывной фазы всегда сопровождается генерацией быстро затухающих колебаний, обычно имеющих форму цуга. Возбуждение РІ2 - следствие коренной перестройки структуры магнитосферы в момент брейкап. В ходе развития взрывной фазы суббури может происходить генерация серии цугов РІ2, средний интервал времени между которыми составляет 10-15 мин [103]. В отличии от регулярных пульсаций генерации ГП РІ2 сопутствует появление пульсирующих продольных токов, что позволяет делать вывод о существовании трехмерной токовой системы РІ2 [109].
Вариации ионосферных параметров во время наблюдения иррегулярных геомагнитных пульсаций РІ2
По общепринятым представлениям, геомагнитные пульсации, наблюдаемые на поверхности Земли, являются проявлениями магнитосферных гидромагнитных волн, распространяющихся вниз через ионосферу [10, 43]. Хорошо известно [10], что ионосфера модифицирует характеристики гидромагнитных волн. С другой стороны, параметры ионосферы также могут претерпевать изменения под действием гидромагнитных волн. Это подтверждается работами по одновременной регистрации вариаций доплеровского сдвига частоты отраженного от ионосферы радиосигнала и геомагнитных пульсаций [51, 149, 173, 183, 191, 198, 199]. Наблюдаемая в ряде случаев синхронность вариаций fd и геомагнитных пульсаций дает основание предполагать, что гидромагнитные волны диапазона пульсаций оказывают заметное влияние на ионосферу.
Как было показано выше, временные ряды пульсаций Рс4-5 и вариаций fd имеют высокую степень корреляции (рис. 4.3а, б, в, ж, з, и). Отношения амплитуд вариаций fd и геомагнитных пульсаций составили от 0.015 Гц/нТл до 0.07 Гц/нТл. Данные величины близки к результатам, полученным в работах [149, 183] (от 0.01 Гц/нТл до 0.4 Гц/нТл). На рис. 4.6 представлена зависимость амплитуды вариаций fd от амплитуды Яс_ю (обозначены ) и Яв_3 (обозначены ). Несмотря на небольшое количество точек, прослеживается тенденция к линейной зависимости вариаций fd от амплитуды ГП. В периоды наблюдения регулярных пульсаций Рс4-5 резко увеличивается спектральная компонента вариаций fd, соответствующая частоте Рс4-5 (рис. 4.3г, д, е, к, л, м).
Совпадение временных рядов и спектров геомагнитных пульсаций и вариаций fd, зарегистрированных синхронно, позволяет предположить, что гидромагнитные волны диапазона Рс4-5, взаимодействуя со слоем F2 иносферы, вносят основной вклад в короткопериодные вариации fd Механизмы, объясняющие корреляцию между геомагнитными пульсациями и вариациями fd, по-прежнему остаются неясными [183, 198]. Известны следующие основные механизмы [198]: а) изменения в индексе преломления радиоволны за счет вариаций север-южной компоненты магнитного поля пульсаций; б) вертикальное Е х Й движение электронного газа под влиянием восточно-западной компоненты электрического поля пульсаций в ионосфере; в) изменения фазового пути благодаря сжатию и разрежению плазмы, которое связано с направленной вдоль поля компонентой поля магнитных пульсаций; г) увеличение и потери ионизации.
Ионосферный комплекс позволяет получать не только fd (производную фазы по времени), но и ряд других параметров ионосферных неод-нородностей, таких как производные фазы по пространству ф х,ф у скорости vm и направления ат перемещения СМ ПИВ; скорости vs и направления as перемещения мелкомасштабных неоднородностей, разме с-ю в-з г нТл Рис. 4.6: Зависимость амплитуды вариаций fd от амплитуды север-южной () и восточно-западной ( ) компонент регулярных геомагнитных пульсаций. Цифры указывают порядковый номер случаяры большой а и малой Ъ полуосей характеристического эллипса, эксцентриситет или степень анизотропии еж, время жизни ММН Th (главы 2,3). Было проведено сравнение вариаций этих параметров с вариациями ГП. К сожалению, во время прохождения ГП каких либо устойчивых закономерностей в изменении параметров ионосферы, за исключением синхронности изменения вариаций fd и ГП, обнаружено не было. Хотя следовало ожидать, что вариации электрического поля ГП должны оказывать влияние на скорость и направление дрейфа ММН. Считается, что дрейф ММН в высоких широтах определяется электрическими полями магнитосферного происхождения. Важным является и отсутствие корреляции ГП с пространственными производными фазы отраженного от ионосферы сигнала ф х,ф Это говорит о том, что в ионосфере отсутствуют горизонтальные движения связанные с вариациями ГП. Имеет место приходит нераспространяющаяся в горизонтальной плоскости волна с пространственными размерами превосходящими размер области наблюдаемой при ВЗ.
Все это говорит о следующем возможном механизме вариаций fa-Регулярные пульсации являются проявлениями гидромагнитных волн (МГД-волн), генерируемых в магнитосфере и, в отличии от иррегулярный пульсаций, не связаны с токовыми ионосферными системами. В районе Норильска магнитное наклонение составляет 80, т.е. гидромагнитная волна движется практически вертикально к земной поверхности, и ее пространственный масштаб составляет тысячи км. При своем распространении гидромагнитная волна вызывает сжатие и разрежение электронного газа, на высоте слоя F2 "вмороженного" в магнитное поле МГД-волны, что и вызывает вариации показателя преломления и, соответственно, вариации / .
Численное вычисление вклада каждого из этих механизмов включает учет многочисленных параметров и представляет собой предмет отдельной теоретической работы.
Иррегулярные пульсации типа РІ2 регистрировались в период, когда ст. Норильск находилась в авроральной зоне. Сложность регистрации заключалась в том, что, как правило, в период развития авроральных суббурь, когда возбуждаются наиболее сильные и продолжительные геомагнитные пульсации, в ионосфере наблюдается полное поглощение радиоволн.
Так же, как и в работах [149, 173, 199], в большинстве случаев мы обнаружили незначительную корреляцию между вариациями /j и геомагнитными пульсациями. При синхронной регистрации пульсаций РІ2 и вариаций fd наблюдается: а) практически полное отсутствие корреляции между временными рядами; б) в ряде случаев совпадение основных максимумов на графиках спектральной плотности этих явлений в период наблюдения РІ2. Аналогичная картина наблюдалась при синхронной регистрации светимости полярных сияний и пульсаций РІ2 [103]. Отсутствие корреляции между временными рядами иррегулярных пульсаций РІ2 и вариациями fd радиосигнала, отраженного от слоя Es, можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, в высоких широтах могут существовать несколько источников РІ2, разнесенных по широте на несколько градусов [103]. Во-вторых, на высотах слоя Е спорадического плотность нейтральной компоненты значительно выше и ее влияние на движения ионосферной плазмы сильнее, чем в слое F2. В-третьих, магнитные вариации могут быть откликом ионосферных токов в поле зрения магнитометров (в радиусе нескольких сотен километров), в то время как ионозонд измеряет более локальные возмущения в ионосфере над пунктом наблюдения в радиусе 50-100 км [130]. Кроме того, возможна интерференция отраженных радиоволн на ионосферных не-однородностях, как это указывалось в работах [130, 199]. Тем не менее, в период наблюдения РІ2 в спектрах вариаций f усиливается коротковолновая часть и появляются пики на частотах, соответствующих частотам в спектре пульсаций. Таким образом, существует несомненная взаимосвязь между вариациями fd радиосигнала, отраженного от спорадического слоя Е, и иррегулярными пульсациями РІ2.
