Введение к работе
. ',. ,-|
xv.'t^biii-l Работа посвящена исследовании вариаций частотных параметров спорадических образовании Е^ и Г -spiead, исходя из единых методических, эмпирических и теоретических позиции иа фоне процессов, формирующих крупномасштабную структуру ионосферы.
Актуальность теш. ГЛюголетний опыт математического моделирования ионосферных процессов привел к созданию моделей ионосферы, используемых как в исследовательских, так п в прикладних целях. Однако почти все созданные модели описывают т.н. фон, т.о. некоторые средние, сглаженные значения ионосферных паратлетров, очищенные от флуктуация, а, следовательно, далеко неполно отражающие реальное состояние ионосферы.
Такое разделение на фон и флуктуации, применягощиеося к современным представлениям о процессах в ионосфере, является несколько условным, однако, оно совершенно необходимо, поскольку фоновые моделі: имеют детерминированную основу, а не флуктуздионно-статис-тическую.
В соответствии с этим ионосферные модели, предназначешіяе для прикладных целей и использующиеся в качестве научной основы для диагноза и прогноза состояния ионосферы, должны строиться раздольно для фонового состояния и флуктуации.
Сейчас уже можно утверждать, что наЛден удачный метод и оптимальная структура модели фона. Созданы т.н. полуэмшричеекпе или гибридные модели, легко адаптеру кцнеся к заданным геофизическим условиям.
Иначе обстоит дело с моделями флуктуации. Несмотря на большое количество работ, посвященных неоднородной структуре ионосферы и, в частности, РСПОрая к ^j . пока оце очень мало сделано в плане создания моделей статистически неоднородной ионосферы. Известны только первые попытки систематизации экспериментальных дашшх в форме эмпирических моделей. В последнее время ПОЯВИЛИСЬ теоретические работы, которые .могу? блть использованы для построения фрагментов теоретических моделей некоторых типов ноолло-родностеи. Так применительно к об.' г';тн Г v. иртзигйторлатгнеп з г. ю
учтены эффекты, связывающие фон ц флуктуации с изменением интенсивности и направления экваториальной электрострун. В авроралыюй зоно появлэшо неодаородностей связывается с градиентно-дреЩовой неустойчивостью, однако но учитываются механизм!, вызывающие гра-дпенги Ne в области главного ионосферного провала, приводящие к Г -spiead. Значительно сложнее обстоит дело на средних широтах, где кроме части перечисленных мехаїптзмов в действие вступают эффекты, связанные с прохождением терминатора, ветрами в нейтральной атмосфере, конкурирующгм действием гравитации и продольной диффузии и т.п. В среднеипротноп ионосфере не получил долкного обгясиекия с помощью теоретических моделей предсосходшй всплеск частотних параметров в области Ej. и не выяснена роль возмущений с-параметрами АГВ-волн в формировании Г -spiead.
Из сісазашюго следует, что пока еще рано говорить о возможности построения ско;о>ко-нибудь законченной модели статистически неоднородней ионосферы. Однако слезет иметь в вида', что существующие модели фона боз учета флуктуации не только но удовлетворяют сапросов инженерной практики, по и затрудіиог прогресс в создании теории распространения декаметрових волн.
Указанное обстоятельство побуждает ужо сейчас, используя имеющиеся теоретические соображения и многочисленный оксперпмон-талыыо данные, приступить к созданию фрагментарных моделей ноод-нородпостей, визнвавдіх F -рассеяние и иоявлонне слоя Es . Такие, в частности, эмпирические модели несмотря на их неполноту, условность классификации и в ряде случаев грубыо приближения, могут оказаться полезными. Сонместно с фоновой моделью система будет представлять собой оданую модель статпетичоекп неоднородной ионосферы. Шслпчошю стохастпчностн потребует нового подхода }: решению ионосферных задач распространения радиоволн, что уїхо являете: прогрессивным. Колпчоотвендао неточности, допуїдошшо при создании Tajcoii модели, оудут устраняться по мере ее совершенствования ,; уточниннл.
К настоящему времени для слоя Е^ имеется эмпирическая :.;.*-дель О,0возічїлі,диова и Г.І.'.'.Ьіхаі'лсво.'і. Она базируется на предположении о гауссовом- распределении логарифмов медпаничи значен::;-частот \, К., и h Е ., , полл'чешчіх на станциях Б3„ Этот мето; .дает только опдсаш-х вероятности пояилонпії слоя Е .- в табличке..-. ііліі таблично-аналитическим виде, что затоудзілот применение сі:/.;
при его использовании.
Из-за значительного усреднения (применение медианных значений, выбор метода) такие модели не могут дать необходимой детализации данных во времени и пространстве; а также создают трудности при интерполяции данных на заданные часы суток и месяцы года. Модель, дающая возмояаюсть прогнозировать условия распространения радиоволн слоя Еу на среднеширотных односкачковых трассах с учетом их технической оснащенности разработана Мянуллиным и др. В ее основе ленат экспереыентальные дашше наклонного и вертикального зондирования за — дьа цикла солнечной активности. Однако имеется целый ряд задач ионосферного распространения радиоволн, который требует знания вариаций параметров Е^ в- экваториальной и авроральной зонах, а также задания N (h) профилей в узлах трассы. Для этой целя необходимо построение детерминированных моделей Е.у , как, например, модель Коренькова. Следует, однако, отметить, что точность такого рода моделей не высока вследствие неполноты наших знаний о величинах скоростей элементарных процессов, параметрах нейтральной атмосферы и т.д. Более перспективным при построении прикладных моделей, как это ука было показано на моделях фоновой плазмы, является метод гибридного моделирования. Этот метод позволяет повысить точность расчета параметров, благодаря коррекции по статистической модели. Для построения эмпирической модели целесообразно применить ту же методику, которая использовалась для статистической модели фона, а именно: разложение полей ионосферных данных по естественным ортогональным функциям времени и координаты. Создание гибридной модели параметров спорадического слоя Е для решения прикладных задач является одной из актуальных проблем физики ионосферной плазмы. Еще одной актуальной проблемой является разработка модели, количественно описывающей явление F spiead. Известка в этом плане эмпирическая модель среднеквадратичных отклонений йN Скнтлтони. В ее основе ле-зглт уравнения, выведенные'для модели мерцаний, а вероятности находятся с использованием интеграла ошибок. Результаты модели проверяются по данным вертикального зондирования. С помощью модели Синглтона могло описать явление Г -Spisad в приближении слаоого рассеяния. Б настоящее время нет завершенных теоретических модуле": Г -spread, в особенности, для средплх пглрот. Представляет ".я
целесообразной, на данном этапе, разработка статистических моделей параметров рассеянных отражений, основанная на использовании данных станций вертикального зондирования и совпадающая по методико с эмпирическими моделяг.ш фона и параметров слоя Е^ . Эмпирические модели, построенное по единой методіп'.е, позволял1 одновременно описать параметри Е^ и F -?p?tad на заданной трассе. Основными целями работа являются:
-
Построение по единой методике эмпирических моделей спорадических образовании типа Г.- к F spzead» включающих особенности поведения их параметров na:.rxu.*.:op; нредзосходний всплеск в fg Е#? , главшй провал, экваториальную аномалию и т.д.
-
Создание численних моделей, помогающих оценить роль тех или пшіх механизмов в образовании отдельных особенностей параметров Е^ и F spicod, в частности; продвосходшй эфТхзкт в /j Ej» явлешіе среднеширотного F -jpze&dni. др.
-
Разработка гибридной модели ноносфери, включающей тонкий слой Еу .
Научная новизна работы опредоляется тем, что впервые:
1. Создали эмпирические моделі: частотних параметров Ej и
F Spieadi исходя из єдиних эмпирических представлений с использованием тої: же методики, что и для фона, вкшочая зоїш крупномасштабных структур ионосферы.
-
Оценена роль ноносфорно-плазмосфершх взаимодействий в образовании отделъшх особенностей спорадического слоя Е^. , в частности, нродвосходпого всплеска jr Е* на сроднеіяпротішх станциях.
-
Оценена роль термосфорпого возмущения с параметрами АГВ--волн в создании резких градиентов h'e па профиле // (/і), которые могут обеспечить градиентно-дроііфошо неустойчивости, гекерпрул-і:іио сроднєїшірстшіі Г -spit'ad.
4„ Построена гибридная модель ионосферы с учетом тонкого слоя E(i> „
Практическая ценность работы определяется следующим:
подход, используемый при разработке эмпирической моделі: фона, применяется для построения эмпирических моделей явлений Е..-и Р ~Sp7cacL
возможностью применении результатов, полученшх из указаних тииэ моделей и полуэмпирической МОДСЛИ ТОНКОГО СЛОЯ Sj ., ДЛЯ
прогноза и расчета среды в узлах KB радиотрасс.
Реализация работы. Исследования, результаты которых приведены в диссертации, использовались при выполнении IMP Ленинградским научно-производственным объединением "Вектор" и Арктическим Антарктическим научно-исследовательским институтом АН СССР. Результаты исследований были включены в учебный процесс на кафедре радиофизики ИГУ.
11а защиту выносятся:
Исследования параметров Е_у и F -$p%eadс помощью моделей, учитывающих ионосферно-плязмосферше взаимодействия, а также возмущения ионосферных параметров, вызванные возмущением параметров термосферы в полярных областях.
прикладные статистические модели параметров Es и F -sp'tead, основанные на разложении полей данных вертикального зондирования по естественным ортогональным функциям времени и координаты и регрессионном анализе коэффнцлентов разложения,
прикладная детерминированная модель слоя Е^ , основанная на перераспределении ионов А/3. под действием ветрового сдвига с коррекцией по статистической модели„
исследование вариаций основных параметров слоя Е^ и явления Г -spread морфологически и с помощью эмпирических моделей.
Апробация работы. Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались на следующих Всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах:
На X Всесоюзной конференции по распространению радиоволк, Иркутск, 1972.
На ХШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Горький, IS8I.
На ХІУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград, 1984.
На ХУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Алма-Ата, 1987.
На Всесоюзной конференции по физике ионосферы, Ашхабад, 1976.
' На Всесоюзном совещании "Крупно?.:асштабкыо структуры субав-роральной ионосферы", Якутск, I0SI.
На и; Всесоюзно" совещании "Неоднорсшая структура ионосферы", Алма-Ата С./люо), 1981.
На У Всесоюзном совещании по проблеме "Волновые возмущения", Батуми, 1902.
На Ш Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и ионосфарно--магнитосферше связи", ЇДурманск, 1984.
На ГУ Междуведомственном совещании "Неоднородная структура ионосфери", Душанбе, 1984.
На У Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы, Тбилиси, 1980„
На У1 Всесоюзном семг cape по моделированию ионосфери, Томск, 1982.
На УП Всесоюзном семинаре по математическому моделировашт ионосферных процессов, Иркутск, 1934.
На ІУ Всесоюзном семинаре "Ионосферное прогнозирование, Новосибирск, 1985.
Па Всесоюзном соїлінаре 'Тапглтосферно-поносферние связи'', Апатити, І983.
На Всесоюзном свшшаро по ионосферному моделированию, Ростов-Дон, 1983,
Па Региональной научно-технической конференции, Новосибирск,, 1953.
Кроме отого, матернали долсдазни на семинарах в Горьком, Казани, Ллма-Лто (IS&3-I93U) г а такие на кафедро радиофизики и лаборатории Ч'ІЇЇІ ШЫПФ и конференциях физического факультета ПТУ.
Глава І. Исследование вариаций основных параметров спорадических образований в различных широтшх регионах,
В настоящее время живется большое количество обзоров и оригинальных работ, посшіщєніпіх раосмотрошао морфологических особенностей основних параметров спорадсчоских образований (Б^ п F -^pieaci) в различных шрптшх [огпоиах,. Вместе с тем некоторые морфологические особенности остаются пока совсем неиследовашшми юш имеются неоднозначности толковании,, Ь частности: не рассмотрен вопрос о взаимодействии нерегулярных неоднородных структур (Е^ , Г -Sptead, например,) l регулярними неоднородными структурам-: такими ;сак: экваториальная аномалия, главна іі ионосферный пропил, порзмогдкїіімооп цоносфчзоііііо возмущения.. Поэтому І гла.чд ноевлиюи:. исследовании некоторых 23 указанных "ффонтоз глобального растре -деления явленні; Z $ п і' - расесппп.-.
Глава состоит из іщх пар.'йчшов,- в которых расемотреГіИ
морфологические особенности параметров Ej (1) и Г -spiead (2). Это рассмотрение проводилось на основании екечасшх значений параметров /0 Ej. , J, Ej. , A' Ej. , FE^ , а таете индексов рассеяшшх от-ражений и РГ -spread для~ 40 станций вертикального зондирования для различных циклов солнечной активности и сезонов.
Анализ экспериментальных данных позволил обнаружить экваториальную аномалию в параметрах/„Е^ , Jg Ej. и индексов F -spxeocl. Сделано предположение о возможной связи изменений параметров Ej» и Г sp'iead с вариациями параметров экваториального электроднота. Удалось показать также, что данный эффект имеет сильную зависимость от сезона и времени суток.
Исследования в среднеширотном регионе позволили выявить наличие предвосходного увеличения частотных параметров тонкого слоя Е на большинстве средноширотшх станций. Высказано предположение, что объяснение этому эффекту можно найти во взаимодействии сопряженных полусфер через плазмосфэру, когда одаа из полусфер освещена.
В области главного провала ионизации проведенные исследования показали провалы в параметрах j0 Е^ , _Д Еу и индексов Г -spread\ ішєнепіє сезошю-суточнуга и долготную зависимости*
Предполагается искать объяснешю указанным особенностям с помощью механизмов, описывающих субазроральную ионосферу, приводящих к значительным широтным градиентам Ns . Долготные вариации по-видиг.юму связаны с общей циркуляцией термосферы.
Исследование рассеяшшх отражений частотного и диапазонного типа, проведенное для различных широтных регионов показало, что на экваторе и в высоких широтах оба явления имеют высокую вероятность появления и существуют одновременно. На средних ппгротах обнаружено Г-рассеяние только частотного типа. Этот эффект явно указывает на локализацию источников Г sp'iead в экваториальной и высокоширотной областях.
Из анализа явления ? -spttav по литературным данным четко прослеживается перемещение рассеянных отражений по силовим липням магнитного поля Зсглли.
"з корреляционного анализа индексов F Spread ка различных станциях зепіого пара нами было обнаружено значительное увеличение радиуса корреляции в направлении :.лгкитной координаты
Кроме того статобработке подвергались амплитуды стандартных сигналов, т.о. сигналов точного времени (передающий пункт Москва, приемный - Ирісутск).
Из предварительного анализа следует, что периода бцстрых флуктуации сигнала могут быть связаны с появлением Г -рассеяния.
Глава 2. Математическое моделирование как метод исследования явлений Ej* и Г -spread.
В отой главе приводится обзор существующих теоретических моделей Е^ и Г -spread, фрагментарно описывающих вариации параметров спорадических образований и основанных на решении уравнений квази-гидродпнашки, Обсувдаются результаты исследований, выполненных с применением числеишх методов. В 1 данной главы рассматривается слой Ej» , представлешшй теоретическими моделями (детерминированные модели экваториального Е^ , моделирование высокоширотного спорадического слоя Е, математическое моделирование средноппротного слоя Eji , эмпирическое моделирование среднеширотного слоя Е ). 2 посвящен результатам исследования явления Г -spieadz помощью чкеленшх моделей (рассматриваются в частности: экваториальные, высогаш и средние шпроты и эмпирическая модель Синглтона).
Критический анализ показывает, что все разработанные к настоящее времени модели обладают недостатками, ограничивающий их исследовательские возможности - так, модели, учитывающие двухпотоко-вую и градионтно-дреїіфовую неустойчивости удовлетворительно объясняют развитие слоя Ej> на экваторе. Модели, включающие Релей-Тейлоровскую неустойчивость для образования пузырей на экваторе приводят к развитому F -gp?ead . Однако вариации параметров h^S » /(5 и индоксов »^ в зоне экваториальной аномалии, связанные по всей вероятности с вариациями интенсивности и направления экваториального электроджета численно не описаны. Б аврораль-пой зоне иоплохо работают механизмы градлентно-дрейфовой неустойчивости. Однако но сделано попытки рассчитать параметры Г -рассеяния и Е в зоне глазного провала ионизации.
В ерэднеширотной зоне злой Е^ удовлетворительно описывается с помощью долгозивущих ионов Ma , формируемых с помощью ветрового сдвига в тонкие слои. Однако ни одна модель не объясняет численно такие особенности слоя Е j , как лредвосходшй "всплеск" параметров /е Вj и Jg Ef з данной точко в момент восхода Солнца в сопряженной точке. Дія среднепиротногс Г -,yy3* пока не разработаны, 13 последующих главах даются фрагменты численного моделирования,, восполняющие часть пробелов исслодуешх моделей, а такие эмпирические модели, которые остаются пока наиболее приемлемыми для решения широкого класса радиофизических задач. Глава 3. Экваториальная электроструя и ее роль в вариациях параметров фона и спорадических образований Третья глава посвящена рассмотрению нестационарной модели экваториального электродг.ета, разработанной автором и обсуждению роли экваториальной электроструи в вариациях параметров фона и спорадических образований. В работах ряда авторов было показано, что на магнитном экваторе в районе максимума элоктроструи паблзодается "всплеск" плотности нейтральной компоненты. Этот эффект приводит к увеличению процессов рекомбинации и слой F 2 поднимается вверх. Концентрация фоновой плазмы уменьшается. При этом увеличивается вероятность появления Г -spread и уменьшается интенсивность свечения кислорода ( Я 6300 А0)о Па широтах + 25 , где уменьшается плотность нейтралов (_/> ) f/e увеличивается, интенсивность свечения возрастает. Интенсивность электродаета, km 12 и РГ -Spread наоборот уїлонь-ша.:>тся0 Долготные вариации параметров Г -spread в ранене электроструи, по-видимому„ связаїш с изменением положения зоны конвергенции о Широтные вариации параметров рассеянных отражений ("горбы") ко аналогии с аномалией /eF2, могут быть вызваны растеканием поднимающихся "пузырей" вдоль силовых трубок магшітного полг Земли. 13 Е-области нами были проведеш оценки инкремента нарастания возмущений (у ) с учетом скорости дрейфа электронов в экваториальной токовой струе„ Показано, что на высотах области Е наибольший вклад в уравнеіие для у дает двухпотоковая неустойчивость, на больших высотах - градиентно-дрейфовая. Подчеркнуто, что Y у, 0 до высоты 210 км для возмущений с масштабами от I км и выше ночью, а и дневных условиях - до h -= 150 * IG0 км. Отмечено также, что с увеличешютл Нр - индекса диффузцый слой Ера заменяется плоским - "Egg , который хорошо описывается теорией ветрового сдвига в присутствии металлических псксв, г.эрс-носенных ветром из тропиков з экваториальную зону конвергенции. Ослабление Е^ и F -spread во время бури связано с уменьшением интенсивности электроструи, вызванным вариациями конвективного Е-поля, связанными с изменением нацравлешш ІШ. Модель ионосферно-плазмосфершх взаимодействий, для низкоши-ротных трубок используемая нами для описания параметров ионосферы в области экваториальной аномалии показала хорошее качественное соответствие результатов с экспериментом на шсотах больших 500 юл. На низких висотах несовпадение с наблюдением вызвано отсутствием в модели члена, учитывающее с вортшеалышй дрейф за счет экваториального электроджета. Iu;-r восполнения этого пробела нами решается простейшая нестационарная модель электрострук. В качестве основного параметра используется электрический потенциал. В модели учитывается временная зависимость проводимости и нейтральных ветров, а также зависимость электрического поля от высоты, Также найдена зависимость электрического поля от широты, связанная с своеобразным поведением силовых линий магнитного поля. Показано, что изменение значений проводимости Каулкнга способствует локализации электродаета в узко:.! шпротном интервале. Полученные значешія электрических полей могут"быть использозаш для моделей экваториального Т spieadrj огшеашшх в предыдущей главо, а такие для расчета скоростей дрейра частиц в моделях иоіюсфорно-плазмосфершх взаимодействий. Глава 4о Пэносферно-плазмосферкио связи и флуктуации параметров сроднешнретного спорадического слоя Е Эта глава посвящоьа разработке модели ионосферы с учетом ионосфорно-плазмосферних евлзой, на основании которой предпринята попытка исследовать флюктуации параметров спорадического слоя Е на средних широтах, В частности,_здесь рассматривается елэдупшю вопросы: расчет параметров силовых трубок (1), обсувдаются основные уравнения модели (2) и их приложение к модели среднеіигротіюй ионосферы (3), проводится обсунденло полученных результатов (4), исследуется роль альфвеночеких волн в продзосходном эффекте слоя Е (5), проводится моделирование высотного распределения электронной концентрации слоя Ее на сродішх широтах (6) и описывается, построенная автором, простейшая детерминированная моделі топкого слоя Ел на средних широта;-:. Основные результаты четвертой главы следующие: Создана модель ионосферно-плазмосферных взаимодействий, основанная на решении уравнений непрерывности для основных ионосферных компонент, включая ионы магния, и теплопроводности для электронов. Задача решается вдоль силовых трубок, параметры которых расчитаны нами согласно теории Гаусса» С помощью этой модели объяснен предвосходный "всплеск" электронной концентрации в слое Е^ в северной полусфере: В зимнюю или равноденственную ночь во время захода Солнца в летнем полушарии плазма в трубке сжимается. Поток ионов Н+, поступающий при этом в северное полушарие вступает в реакцию перезарядки с 0+. Ниже уровня перехода накапливается ион 0+„ В области Г2 наблюдается предвосходный всплеск /Ve . Ниже происходит обмен 0+ с молекулярными ионами, в результате увеличивается концентрация ионов О2 , обуславливающая предвосходный всплеск в частотішх параметрах тонкого спорадического слоя Е. Во время восхода в сопряженной точке происходит тепловое расширение плазмы, подъем концентрации в вышележащие области, что ведет к уменьшению в Е^ ~ области перед местным восходом. 3. Оценено прямое влияние поля альфвеновских волн, возбуж Е» - слоев. 4о Получено решение простейшей модели, включающей ионы ПО-и ветровой сдвиг, с верхними граничными условиями. Проанализированы решения при различных амплитудах сдвиговой волны и коэффициентов затухания ветра. 5. Разработана методика включения уравнения непрерывности ял я в любую среднеширотпую модель ионосферы. Глава 5. Моделирование возмущений электронной концентрации, связанных с прохождением акустико-гравнтацг.ошшх волі. 3 развитие подели ионэсферно-илазмосфоршх ззалгодейстзтй, рассмотренных в главе 4, в этой главе плсдпттеїята попытка зкл:о-чить возмущения атмосферы с параметра-.-;: АГС вол* л расч'ігать теоретически и численними методами ожидаемые при этом эффекты в области Г ионосферы. В частности: здесь рассмотрены следующие вопросы: кратко рассматриваются пехотные уравнения теории АГВ (1), проводится численное моделирование влияния АГВ - волн на фоновую ионосферу (2), подробно рассматриваются результаты численного моделіфования с учетом возмущении, генерируемых в высоких широтах и терминатором (3), проводится исследование возмонности учета в детерминированной модели ионосфер! изменений, вызванных вариациями параметров нойтр-льной атмосферы (4) и исследован количественный вклад совкое гюго воздействия ветрового сдвига е Е - области и возмущения в Г2 области на// (А.) - профиль (5). Основные результаты пятой главы сводятся к следующему: В модель ионосферно-плазыосфорных взаимодействий, основанной па числешюм моделировании уравпешій гидродинамики и теплопроводности с учетом ионов На- » ветрового сдвига и дрейфа зарякен-них частиц введеш возмущения с параметрами АГБ - волій Показана возможность получения решения в виде значительно перестроенных профилей А' (/») вплоть до образовашія промежуточных слоев. Отмечено максимальное влияние возмущєішя на высотах максимума Г2-СЛОЯ, а также наличие противофазных вариаций f/e n-/}wF2. Разработана методика включения возмущения в любую численную модель ионосферы, учитывающую действие ветра в нейтральной атмосфере Рассмотрен вариант наложения на// (Д) профиль ионосферы возмущений, с параметрами акустико-гравитационшх волн, генерируемых во время суббурь (на 68 и распространяющихся к среджм широтам) , так и при прохогдошш солнечного терминатора на »- 40 и нико. Показано, что амплитуда возмущений на средних широтах,, вызванных приходом АГВ-волн из полярных областей значительно под-дерлшваотся таким источником, как солнечный терминатор. В результате численного моделирования получено увеллчеіше аг.шлитуда Л^ и усиление нелинейности реакции ионосферы с ростом периода возмущения. Отклик ионосферы на возмущающий фактор приобретает импульсную форму. Выдвигается гипотеза: в возмущенной ионосфере возможно образование автоволиошх процессов. Автоболшс многократно разрываясь на неоднородноегях JVg , порождают вихревые структуры с более мелкими масштабами, на которых могут рассеиваться радиоволны декаметрового диапазона (явлеіше Г -spiead )„ Получены решения системы магшіто-гидродинамических урав- ногшй с учетом термосферного возмущения, распространяющегося из полярішх областей к среднеширотішм в периода суббурт,, Показано, что вознккающно на/У (h ) ггрофіїле резкие градиенты HG и A.mF2 могут генерировать при опредслешшх условиях градаентно-дгрейфошэ неустойчивости, приводящие к появления развитого Г -зргеасі. 6. Численно рассмотрена ситуация одновременного наложения на/У (/г.) профиль возмущений, с параметрами ветрового сдвига и АГВ-волш. Получено явлешіе пространственного резонанса, в результате которого на профиле Л/е вштс слоя Е^ наблюдается дополнительный максимум, обусловленный сгонкой металлических ионов. Глава 6„ Система ионосфсра-плазмосфсра и спорадичосісие' образования в области глазного провала ионизации, В шестой главе проводится исследование механизмов образования Г -$рі в области главного провала ионизации с точки зрения ионосферно-плазмосфорного взаимодействия. Эта глава охватывает следующие вопросы.- Особенности плазмосфери в области средкеииротного ионосферного провала (1), роль крупномасштабной конвекции и полярного ветра в создании, крутых градиентов концентрации на кромках провале. (2,3,4)„ влияние термосфорннх эффектов на вариации зарятчшх частиц в провале, для чего рассчитывались наглі зкзосферіше температуры (5), решение модели иопосферно-плазмосфорных ззакмодойст-вий для области провала (6), а тшохэ обсуждение еозмоглостц развития F -spread з области резких градиентов //,, ІІа кронах провала (7), Основные результаты шестой глава следующие,, 1„ Анализ механизмов, описывающих провал, дает возможность утверекдать, что главный вклад в создание градиентов вносят: крупномасштабная конвекция, полярний ветор, высыпания в области овала сияний,, но до заполненность силових трубок, мапштного поля Земли и несовпадение географического н магнитного полюсов„ 2„ Получен расчет концентрации зарянешшх частиц по разработанной нами модели ионосферно-плазмесфзршх взаимодействий,, с учетом скорости уноса легких ионов за счет полярного ветра и крупномасштабной конвекции,, который приводит к уменьшению f/e на высоте максимума слоя 72 в два раза„ 3, Показано, что градиенты #/а на стенках среднешйротног^ ионосферного провала, возникающие благодаря рассмотренным моет- нйзмам, могут приводить к образованию F - spieact. Глава 7c Эмпирическая модель частотных параметров спорадических, образований. В седьмой глаье рассматриваются: методика построения регрессионной модели параметров спорадического слоя Е и обсуждение результатов, в котором, в частности, дано сравнение с результатами моделей других авторов и экспериментальными данными (1), возможности применения регрессионной модели, например: для прогноза расчета радиотрасс, для построения гибридной модели тонкого слоя Е^ (2); глобальная эмпирическая модель индексов F -spiead (3) и возможности ее применения, включая использование модели для прогноза и расчета величины Л^Д , варьирующей с гелногеофизи-ческими параметрами (4). Эмпирическое моделирование ионосферных параметров как однородной так и неоднородной ионосферы является одним из важнейших направлений приземной плазмы. Одним из наиболее важных моментов создания таких моделей является возможность идентичного представления фоновых параметров ионосферы, включая регулярную неоднородную часть (экваториальную аномалию, главный ионосферный провал и т.д.), и параметров'нерегулярной неоднородной части какими являются спорадический слой Е и явление F -$p%uad, Для обеспечения более компактного представления исходной информации нами применялся метод разложения по естественным ортогональным функциям, не требующий задания вида функции и успешно зарекомендовавши себя при построении эмпирических моделей фона. ІІаядай параметр ( Joes ,JsEs, k'E индекс ,$ , Pf- $ pi e ad) представляется в виде ряда, слагаемые которого являются произведением даух членов,, Один из них характеризует зависимость параметра от времени - і , другой - от координаты V : J'lHyXiMyjfY), где HLj - коэффициенты разложения, V - модифицированное магнитное наклонение где cf> - геомагнитная шірота, Jm - магнитное иаклонеше на высоте ЗСС і".:. вблизи магнитного экватора величина У совпадает с !,-аг:::'.'гн:-;:,: наклонение:.', а у полюсов ома значительно зап::с;:т сг геомагнитной широты ср , Параметры мололи ( J ) вибирались из ежечасных дашшх вертикального зондирования для различных месяцев года.. Для слоя Е^ в рассмотрение принимались дашше 33х станций Земного шара; для F -$рієас! - 45 станций. Поскольку естественные ортогональные фушсции являются собственными векторами авто-корроляциогашх матриц, их мояно расположить в порядке убывания собствсшшх чисел. Ряд обрезается на тех функциях,, которые имеют наименьший вес в процентном отношении. На следующем этапе с помощью метода шагового регрессионного анализа находятся регрессионные зависимости Ни-а0+ Z где ССа - свободішЯ коэффициент разложения, Срк - .переменные„ Для модели вибрано 19 переменных; I * 18 ~ трехчасовые значешгя Нр индексов (за 2 с липким суток до исследуемых) л 19 - Г ^р 7 (среднемесячные значения соднечно/1 активности)„ Па последнем зтапе решалась обратная задача„ которач заключалась з нахоїхцонгсі параметров спорадических образований по орто-ro.'raraa.'.j (їуіпсіпіягл Бремоїш и координати л регрессионным ког-Тсл-цпонтам >" *-" і2 і'л Ці,^ИР. F^J* У 2. 1_И-ф№о,К-м)Хі (ї%''-:'Я^, '*' Обычно в рассмотрение достаточно'принимать первые З Фушатк^ вромош:„ Віслад з разлсг-іеіше первой 'ушсип;< гаг єн ZZC, згоро" 12% и третьої! - 2%, Вторая и третья здгіиапп з'ЧлКогеременпк.. Тщу~ вал ортогональная функция координати дао? з р-азлонгшіе вклад 94Й. Строилось несколько вариантов модолп„ В первом варианта ica-эдая из широтных зон обрабатывалась отдельно, В результате- получено хорошее соответствие с экспериментом» Так: з экваториальной зоне обнаружена экваториальная ансматлл з частотных параметрах слоя Е^ ,, з ?Е с и индексах - зръъас- , ~ та:::э з гУ -Sptecccl . В средних шпротах четко прослеживается предвосхо::-ш.іі "эЭД'ОКт", связанный с востсм и /»і"гв раїппю 7-"-;-ниє часы„ В субавроралыюй зоне, так но как л в эксперименте, наблюдаются зарнашш параметров спорадических образовании,, качественно повторяющие вариации //«, в области главного провага пони-зашш с максимумом значений параметров и вероятностей 'в областях г.акскм?лъного градиента Л'-= , Во втором варианте строилась глобальная модель Е ^ и F - Spread. Суточные и широтные вариации рассматриваеглых параметров глобальной модели удовлетворительно описывают эксперимент во всех широтных зонах» Хотя для описания особенностей каждого региона всо же более точноіі является модель по отдельным регионам» Оценки показали: среднеквадратичная погрешность модели -»- 0,54, что соответствует средней ошибке при сравнении с экспериментом ч- 1А%* Естественно с меньшей ошибкой описывается среднеширотный регион, так как здесь їй; ямеем наибольшую густоту станций в широтной сетке. В этой главе показаїш возможности приг/.енегаїя регрессионной модели параметров Е^ и Г - spie.a.cl. Она монет быть использована для прогноза параметров спорадических образований* Дисперсия при этом оказывается немного больше **" 0,57, Регрессионная модель jBEs и f» Е примешала для* оценки диапазона полупрозрачности слоя. Е в заданных точках трассы. Определив 40 К из модели фоновой ионосферы можно рассчитать отношение Ц—j— о Получив из эмпирической модели параметров Eg значение критических частот в точке максимума слоя Е^ . можно построить профиль концентрации в рассматриваемой области с учетом тошсого слоя Е^ либо, выбрав параболическую аппроксимацию либо, применив гибридное моделирование„ В основу детерминированной части гибридной модели положены уравнения гидродиншдики и теплопроводности, с учетом ионов И а , перераспределяющихся под действием ветрового сдвига, интегрируемые по ^соте„ В качестве верхнего граничного условия на высоте 160 км выбиралось условие дисГфузношюго равновесия., Начальное условие взято из среднеширот-ного ракетного пуска0 Для численного решешш системы применялся метод обратной прогонки с использованием неявной разностной схемд. На следусцем этапе производилась коррекция детерминированной моделі по расчитанным из регрессионной модели значения.! J і T^s " корректирующим параметром являются ионы Ма . Данная модель может использоваться для расчета A/ ik) профилей с уче-тэм тонкого слоя ^ в узлах КВ-радкотрасс„ ;':.:ея алгоритм; нахождения естественных ортогональных функций и регрессионных коэффициентов, создашшй в Иркутске:: гос- университете для расчета'фоновой плазмі, и, подобным образом, созданный алгоритм для определения индексов Г -spread, мояно перейти к процедуре расчета величины Af/f па заданной трассо ( J - частота фона, і J - отклонение от фона, соответствующее определенным значениям индекса S ). Результаты расчета дали значение й /j максимальное в високих шпротах в ночное время (л 5/$ = 9 * 12/«), мишімальноо в сред-иеаиротном районе ( 4//j. ~ 0,01 - Ъ%), и на экваторе от ОД до 5%. Расчеты, проделанные по регрессионной модели, дают значения а , более близкие к эксперименту в интервале высоких индексов s » чо" расчеты, проделашше наш по модели Сипглтона, в основе которой лелсат эмпирические формулы, взятие из модели мерцании. Для малых пнтенсіпзностой получается хорошее совпадение результатов обеих моделей как по &^/j , так и по частоте, Диссертация построена так, что идет параллельное рассмотрение одних и тех ке вопросов применительно к двум различным явло-іиям, тем не менее представляется целесообразным сформулировать главные результати проделанной работы з отдельности по рассматриваемым явлениям (Е^ и Г -gpieacl)„ Основными представляются следующие результаты.' Возьмем спорадический слой Е I. Созданы эмпирические модели параметров ja $ и }%Е$ а такг.е вероятности появлешія Е^ на основе разложения массивов ежечасных значений данных ВЗ за различные цтелы солнечной активности и созоны, для экваториальных, средних широт и зоны главного ионосферного провала, включая его авроральную кромку. Модель удовлетворительно (со средней ошибкой' ~ 14$) описывает эксперимент,,'В отлично от моделей других авторов, основанных только на медианных значєюіях, предлагаемая наш модель включает найденные при морфологических исследованиях особенности, в том числе экваториальную аномалию, главный ионосферный провал, предвосход-ный всплеск частотных параметров Е $ и т.д. 2„ Разработаны теоретические модели Е $ „ благодаря которым: а) вперше оценена роль ионосфорно-плазмосфчрных взаимодействий в образовании отдельных особенностей спорадического слоя Е в частности, иредвосходного всплеска J Е^ на ервдтяшротнах станщіях. б) зперзыо построена прикладная детерминированная модель тонкого слоя Е с коррекцией по нашей эмпирической модели. 3. Сделаны рекомендации к практического использованию раз С помощью гибридной модели можно учитывать наличие тонкого слоя Е jj на профиле // (А ) (с указанной вероятностью) в узлах KB - радиотрасс. Эмпирическая модель параметров Е# создана по той же методике, что к модель фоновой ионосферы,, Это позволило стыковать их и получить модель параметра ~~~~~ , позволяющую определить перио-да, когда можно работать на частотах, превышающих j0 Г2 и тем самым увеличить - соотношение с^^.ал , т.е. работать с меньшими помехаиі. По явлению F - $'р t е a d Создана эмпирическая модель индексов F -spread'и их вероятностей с использованием той же методики, которая применялась для слоя Hff и эмпирической модели фона. Модель удовлетворительно описывает эксперимент, включая и такие особенности массивов дашых как главный провал и экваториальную аномалию в индексах Г - рассеяния. Сделаны модолыше представления некоторых мехашізмов образования F -$p*iead. В частности, с помощью модели ионосферно--плазмосферных взаимодействий, в которую был включен дрейф заря-конных частиц под действием возмущения с параметрами ЛГВ - волн, распространяицихся из полярных областей в периоды суббурь к сред-шш широтам, были получены резкие градиент!" f/e ка правиле. Количественные оценки, проведенные нами, показали, что подобные градиенты 'могут генерировать градиентно - дрейфовые неустойчивости, приводящие к появлению развитого F -spttad . Применение единой методики для эмпирических моделей фона и флуктуации позволяет рекомендовать эмпирическую модель F -pp-zead для нахоадения флуктуации частотных параметров Af/j , варьируксих г.о времени, сезоне, гелиоцикле, с координатой. .Модель &~'I мохет быть использована для расчетов диэлектрической про-пщаомостп среды, в которой распространяются радиоволны Структура и объем работы. Личный вклад автора.
даемых в ионосфере прохождением терминатора на магнпто-сопрякен-
ную ионосферу. Показано, что такое влияние не эффективно с точки
зрения формирования тонкого слоя Ея на другом конце трубки. Одна
ко не исключено, что альфвеновские волны могут служить инициато
ром пока неизвестных нагл процессов, приводящих к формированию
работанных нами прикладных моделей: эмпирической и гибридной,