Исследование влияний состояния ионосферы на структуру и динамику полярных сияний Дзюбенко, Николай Иванович

Введение к работе

Актуальность работы. СолнечниЙ ветер, взаимодействуя с магнитным полем Земли, формирует в околоземном пространстве восьма сложную совокупность физических процессов, обусловливающих, n конечном счете, передачу части солнечной энергии в земную атмосферу через диссипацию мапштосферных токов, вторгающихся авро-ральних потоков и волн. Оптические полярные сияния, отмечая в атмосфере места интенсивных корпускулярных вторжении, их мощность и длительность, несут в себе информацию не только о сос-тоянии земной магнитосферы, но таїае и о состоянии ионосферы, механизмах магнитосферно-ионосферного взаимодействия. Они являют-ся хорошим индикатором состояния околоземного пространства, которое на наиих глазах становится сферой все более интенсивной научной и хозяйственной деятельности человека. Проблема мониторинга околоземного космоса - актуальная проблема современности, и в рамках этой задачи полярные сияния долгий сыграть роль, аналогичную той, которую, скакем, солнечные вспышки играют в оисте-ые службы Солнца.

ІЬль полярного сияния для диагностики магнитосферы понята уже давно, и в настоящее время эта проблема в значительной степени прояснена на уровне крупномасштабных геофизических структур, таких как авроральний овал, оуббуревая выпуклооть, зоны высыпаний типа перевернутого "\[ , электродает и зоны продольных токов I и 2 и др. Однако в большинстве исследований ионосфера Земли беретоя в некотором модельно-сглаженном представлении. Между тем, она, особенно в области интенсивных авроральных вторжений, весьма неоднородна и нестационарна. Это. существенно отражается на тонкоструктурных характеристиках оптических полярных сияний, в том числе и через механизм обратной связи в системе авроральний пучок - ионосфера. Такой аопект проблемы изучен ола-бо, особенно в области пространственных и временных маоштабов, отраженных в тонкой структуре дискретных форм полярных оияаий. Сложность состоит в необходимости применения специальных мето-

дов регистрации авроральных форм, обеспечивающих высокое разрешение в пространстве и времени, а так.ке в том, что полярное сияние но только в каких-то своих характеристиках огра.-кает состояние ионосферной области его локализации, но уяе само по себе свидетельствует о бистро!¹, локальной модификации этого состояния в процессе аврорального вторяения. Кроме того далеко не все интересующіе нас связи поддаются в настоящее время прямому экспериментальному или наблюдательному освоению, многие из них приходится постулировать, исходя из косвенных данных и достаточно корректных теоретических и модельных представлений. Тем не менее актуальность проблем мапштосферно-ионосферного взаимодействия и вврорального мониторинга околоземной среды требует новых усилия в исследовании процессов взаимовлияния в системе вторгающийся электронный пучок - ионосфера на масштабах таких образований в полярных сияниях как полосы, волокна, лучи и др. Цель работы состояла в:

постановке новых специальных наблюдений для выявления эффектов ионосферного влияния в тонкой структуре и динамике дискретных форм полярных сияний; обработке рутинных наблюдений с той ас целью;

поиске и выделении эффектов ионосферного происхождения в искусственном полярном сиянии, генерируемом в модельных космических экспериментах "Зарница-I" и "Зарница-2";

- интерпретация полученных наблюдательных связей.
Новизна работы определяется следующим:

1. Автором впервые поставь на задача выявить, систематизировать и всесторонне исследовать проявления постоянно изменяющихся ионосферных условий в характеристиках дискретных форм полярных сияний.

2. Впервые в отечественной практике систематических наблюдений полярных сияний применена техника телевизионного усиления изображений, позволившая более чем на порядок увеличить разрешение по времени при кинематографировании подвижных авроралышх форм.

3. Привлечение материалов первых советских космических экспериментов о инжекцией электронных пучков в ионосфере "Заршща-1 и*Зарница-2" позволило более определенно разобраться в некоторых особенностях физики полярных сияний.

4. Основными новыми научными результатами являются:

- обоснована тонколистовая структура волокнистых полос по-

лярных сияний и дано объяснение систематического различия скоростей дрейфа светлых и темных листов влиянием электрических полей поляризации, возникающие в неоднородной ионосфере (гл. I, 2 и 8 диссертации и работа [2] );

исследованы особенности аномальных высотных профилей светимости в естественных и искусственных сияниях и дана их интерпретация в рамках концепции локального газового разряда в ионосфере (гл. I, 5, 8 дисс. и работы [2, 24, 3S, 42, 43j>,

дано объяснение уярчешшм полярного сияния на границах аврорального вторжения более благоприлтішми условиями компенсации здесь вносимого вторгающимися электронами заряда (гл. I, 8 дисс. и работы [2, 36J );

исследована средняя суточная вариация длины лучей полярных сияний, связанная с изменениями температуры (и шкалы высот) авроральной атмосферы; показано, что основной энергетический масштаб в авроральной атмосфере во время возмущений определяется диссипацией ионосферных токов (гл. 3 даос, и работы [3, 4-8, 30, 40J );

обнаружен спадающий тренд средней яркости дискретных форм полярных сияний в течение ночи на широтах Тикси-Корильск; дано его объяснение изменениями ионосферной проводимости (гл. 4 дисо. П работы [31] );

обнаружена и объяснена тенденция к ограничению сверху времена жизни авроральиых лучей при увеличении скорости их дрейфа (гл. 2 и 8 дисс. н работы [20, 37] );

обнаружен, а объяснен отклик в средней яркости дискретных форм политых сияний на изменение состояния ыаиштосопряяенной ионосферы при прохоздении через нее терминатора (гл. 4 и 8 дисс, работы [27, 28, 30J );

проведен всесторонний анализ причин отклонения лучей полярных сияний от направления магнитных силовых линий в связи о обоснованием метода аврорального радианта для изучения геомагнитного поля на высотах -—100-200 км и.структуры ионооферных и продольных токов (гл. 6 дисс. и работы' [13, 32,33, 39J );

обнаружено и исследовано интенсивное квазиконтинуальное излучение атмосферы при инжекции мощного электронного пучка в экспериментах типа "Зарница", подтверждающее возможность синтеза окислов азота в области авроральных вторяений (гл. 7 дисс.

и работы [14, 21, 26, 29J );

- сформулирована общая концепция дискретизации аврорально-

го свечения при увеличении интенсивности авроралького вторхения (гл. 8 дасс. и работа [36] ),

Научная и практическая ценность работы. Большинство результатов диссертации являются обобщением большого наблюдательного материала и доданы использоваться при разработке и совершенствовании общей модели магнитосферно-ионосферного взаимодействия, учитывающей модификацию ионосферного звена б процессе этого взаимодействия и механизмы обратной связи. Особенно важно, что эти результаты относятся к пока еще мало изученной стороне проблемы магнитосферно-ионосферного взаимодействия, а именно к области малых пространственных ( <~ 10 -10 м) и временных ( ~ 10-10 с) масштабов, характерных для дискретных авроральлих форм и отражающихся в их тонкой структуре. Работа, таким образом, вносит значительный вклад в исследования электродинамики системы вторгающийся авроральный пучок - ионосфера. Этим определяется ее основная научная ценность. Качественная интерпретация результатов наблюдений, выполненная в диссертации, может слу.шть отправным пунктом для болое обстоятельного теоретического анализа.

Практическая ценность полученных результатов определяется их применимостью для разработки методов диагностики и прогноза состояния магнитосферы и ионосферы Земли, а также наиболее эффективных трасс наземной и космической радиосвязи, выявления очагов радиопомех. Некоторые аспекты авроралыюй энергетики, затронутые в диссертации (локальный разогрев верхней атмосферы во время сильных авроральннх вторжений, синтез окислов азота, обеспечивающих сброс избыточной тепловой энергии в ПК-диапазоне) существенны для решения проблемы влияния солнечной активности на погоду.

Результаты работы получены по материалам многолетних исследований в регионе Советской Арктики, весьма перспективном в смысле дальнейшего научного и хозяйственного освоения, в том числе и геокосмофизического. Они могут найти применение в учреждениях, ведущих работы в области геокосмофазикаГИЗЇЛЛР АН СССР, Ш1І АН СССР, СабІШІР, ИКЙ1А СО АН СССР, ШИЯФ МГУ и др.

На защиту выкосятся;

I. Новые результаты цикла экспериментальных работ по изучению фотометрических, структурных,'динамических и спектральных эффектов состояния ионосферной среда в дискретных формах полярных сияний, включая результаты анализа с этой не точки зрения материалов управляемых космических экспериментов "Заршвда-1" и ^Ц3ариеда-2^П (см. перечень в п, "Новизна работы.,, 4").

2. Первое в СССР применение высокочувствительных телевизионных камер для регулярной регистрации динамичных форм естественных и искусственных полярных сияний с высоким пространственным и временным разрешением.

3. Концепция важной роли механизмов локального газового разряда в фоновой авроральноіі ионосфере, включая и пучково-плазмен-ш& разряд, при формировании структуры свечения полярных сияний

в процессе втораения интенсивных пучков авроральанх электронов Б'земную атмосферу.

4. Аналіз причин и величины отклонений лучей полярных сияний от направления магнитных силовых линий в связи с обсуждением возможностей метода аврорального радианта при изучении геомагнитных возмущений и токовых систем.

5. Результаты фотометрического исследования квазиконтинуаль-ной компоненты спектра искусственного полярного сияния и объяснение ее интенсивным плазмохишческим процессом, приводящим к синтезу окислов азота в зоне взаимодействия пучок-ионосфера.

Личный вклад автора в реализацию целей работы состоит в следующем:

научное руководство и личное участие в визуальных, фотографических и телевизионных наблюдениях молярных сияний в районе бухты Тиксл: на о. і.їуостах, 1957-1950 гг., регулярные наблюдения автора по'программе HIT; на Тиксинской Комплексной геофизической обсерватории ИКФИА Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР, I96I-I979 гг., 8 длительных экспедиций Киевского университета;

участие в научно-методическом обеспечения и выполнении наземных оптических наблюдений искусственных полярных сияний в экспериментах. "Зарница-1" и "Зарница-2" (ответственный исполнитель темы);

разработка методик обработки материалов наблюдений, личное участие в обработке, научная интерпретация большинства полученных результатов (гл. 1-4, 6, 8);

анализ материалов наблюдений аномальных'профилей свечения естественных и искусственных полярных сияний; участие в выработке основной интердрегацпонной концепции коллективного взаимодействия в системе электронный пучок - ионосфера (гл. 5);

фотометрический анализ слабого изображения "континуума" в спектре околоракетного свечения и искусственного аврорального луча, зарегистрированного на пределе чувствительности ТВ-спект-

porpata в эксперименте "Зарница-2"; участие в выработке основной интерпретационной концепции происхождения этого континуума как свидетеля плазмосинтеза окислов азота в зоне взаимодействия электронный пучок - ионос!»ера (гл. 7).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитированной литературы из 323