Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвяцека экспериментальному изучению п теоретической интерпретации закономерностей:
планетарной трехмерной структуры низко- и средвешнротной ионосферы ниже максимума слоя F2, а также ее изменчивости;
взаимосвязи характеристик регулярных слоев о. е. fi п F2 ионосферы;
- многолетней зволюшш параметров попооферн.
Указанная постановка задачи обусловлена тем, что соответ
ствующие представления до настоящего времени носят весьма
прнближетага характер, несмотря на значительные успезш, дос
тигнутые в последние два-трн десятилетня в области развития
ракетно-космических методов и средств диагностики зарят:ешш2
компонент средней и верхней атмосфери. Этот прогресс б первую
счередь затронул высоты главного максимума ионосферы - t-^Fa л
внешней ионосферы, но лишь отчасти коснулся ВЫСОТ
представляющих особый интерес с точки зрения физического
моделирования солнечно-земных связей в бляхием космосе, меха
низмов образования н взаимодействия различных слоев ионосферы,
а также решения задач дальней радиосвязи а КВ-диапаэопе.
В силу этого существующая база данных об интересующей нас области по-прежнему ориентируется, в основном, па результаты измерений наземными дистанционными Сраднофнзичесгащи) методами ее диагностики, среди которых наиболее широко распространенным остается метод вертикальпого зондирования (ВЗ). Однако, во-первых, мировая сеть станций ВЗ охватывает существенно ограниченную часть земной поверхности и, к тону хе, распределена по ней крайне неравномерно. Во-вторых, этот метод неэффективен при диагностике нижней ионосферы.
Таким образом, специфика и масштабы объекта исследований побудили нас использовать наряду с даш-шки Скак опубликованными в печати, так и оригинальными) наземных станций ВЗ и ракетно- спутниковых измерений, такие п результаты наблюдений, выполненных автором на научно-исследовательских судах в акватории Мирового океана. Их анализ и интерпретация, позволяющие внести существенные коррективы в
традиционные представления об особенностях крупномасштабной пространственно-временной структуры плотности ионосферной плазмы, о механизмах формирования и взаимодействия регулярных D, е и F-областей ионосферы, и составляют содержашіе настоящей работы.
Другой аспект работы связан о практическим использованием результатов наблюдений для построения более реалистических моделей ионосферы, повышенна надежности полетов космических аппаратов и оптимизации режимов и энергетики радиосвязи на длинных и сверхдлинных трассах.
Но особое значение приобретает в последнее время третий аспект данного круга исследований - экологический. Ионосфера становится средой обитания человека и, вместе с тем, подвергается интенсивному и систематическому антропогенному воздействию, обусловленному не только работой ракетно-космической техники, но и индустриальной деятельностью в глобальном масштабе. Обнаруженные недавно изменения, присходящие в озоновом слое, следует, по-видимому, расценивать как первое, но далеко не единственное следствие влияния отмеченных факторов на страте- терыосферу Земли. Знание детален естественных вариаций пространственно-временных характеристик этих сред должно способствовать корректной оценке локальных и глобальных кратко- и долговременных возмущений, вызываемых техногенными причинами, а следовательно, успешному прогнозированию их наиболее негативных последствий. Об остроте проблем, возникающих в связи о этой новой реальностью, говорят принятые и разрабатываемые национал ыше и международные программы типа МАП, МАК, "Атмосфера", "Глобальные изменения природной среды и климата" и другие.
Целью исследования являются: ~L Установление факта наличия сильных, ые воспроизводимых существующими теоретическими и эмпирическими моделями ионосферы, широтно-долготных аномалий электронной концентрации п& средне- и' ннзкошнротной ионосферы ниже максимума СЛОЯ F2, приводящих к пятнистости ее планетарной структурі".
2. Доказательство существования взаимосвязей аномалии планетарной сруктурц -\ в о, е, f-областях ионосферы, обусловленных не только гелиогеофизнческими, но динамическими
Ссобственно атмосферними) факторами.
3. Обоснование правомочности представления таких связен,
как проявления особого рода крупномасштабных квазистационаршх
иеоднородноотей ионосферной плазмы.
4. Выявление факта многолетней изменчивости пара
метров ионосферы, обусловленной изменениями азрономических
характеристик верхней атмосфери.
Научная новизна. Представленные в диссертации результаті? экспериментальшх и теоретических исследований получеип впервые. В работе обоснован и реализован метол дистанционное диагностики нижней ионосферы (АІ-М), адаптированный к проведешпо измерений па научно-исследовательских судах (НПО. Впервые осуществлена серия комплексних экспериментов по изучению закономерностей планетарной о труктурн области о ноносфери радиофизическими и контактными Со помощью ракет) методами в акватории Мирного океана. Показано, что широтно-долготное распределение нижней ионосферы носит пятннстнші характер: в нем присутствуют устойчивые зоїш с систематически и аномально повышешшнн ллш пониженными концентрациями заря-жешшх компонент. Представлены первые фрагменти глобалыюго (исключал высокие широта) распределения величніш ионосферного поглощения радиоволн в ВЧ-диапазоне.
На материале данных мировой сети станции, а также корабельных и спутниковых измерений методом вертикального зондирования (ВЗ) показано существование аномалий пространственной структуры (подобных наблюдаемым в слое о) практически на всех высотах внутренней ионосферы. Выявлена взаимосвязь возмущений в суточных, сезонных и циклических вариациях параметров к, fi и гг слоев в зонах аномалий. Комплекс явлепий, обусловленных географическіш постоянством этих зон, предложено интерпретировать как квазпстационарные неоднородсти ионосферной плазмы ШШП).
Показано, что общей причішой, прямо или косвенно вызывающей эффекты КШШ во всей толще внутренней ионосферы, являются локальные (региональные) возмущения термобарнческих полей и газового состава мезо-термосферы. Даже в области f они оказываются важным фактором формирования ее крупномасштабно неоднородной структури, конкурирующим с известным механнзі.он
образования "классических" долготных вариаций параметров слоя Fa, который, как известно, обусловлен процессами переноса плазми под влиянием алеістрнческого поля, дрейфа и амбиполярной диффузии. Обосновывается вывод о том, что лоїсальїше возмущения температуры, газового состава и электронной концентрации nQ :; иезо-термосфере вызываются благодаря наличию в системе глобальной атмосферной цпрігуляции относительно мелкомасштабных ячеек циркуляции, которые обеспечивают вариации параметров средней и верхней атмосферы до ^15 от их фоновых, невозмущеи-ных значений.
Оценена роль турбулентного переноса в образовании локальних возмущений плотности малых составляющих Сокиоп азота, атомного кислорода), определяющих концентрацию электронов в нижней ионосфере. Показано, что противоречие между многочисленными дашшып прямых н косвешшх методов оцешш сезонных вариаций основных параметров турбулентности - коэффициента турбулентной диффузии и высоты турбопаузы снимается, если признать, что прямая зависимость нехлу шиш отсутствует. Предложенная феыенологнческая модель возмущений турбулентного регима средней атмосферы, основанная на наблюдаемых вариациях электронной коїщеізтраціш в о, е и es-слоях, позволяет качественно оценивать степень деформаций высотных профилей ко, о и пв в КНИП.
Показано, что существующие теоретические фотохимические модели неадекватно оценивают роль атомного кислорода в процессах образования вторичных ионных компонентов типа »*Сн2о)п, но*0»2о}т из первичных ионов ко+ ц о*. Делается вывод, что атомный кислород является важным агентом, контролирующим содержание свободных электронов пе только на высотах слоя F2, по тагасе' и в нижней ионосфере. Обнаружено существование многолетпей (климатического масштаба} изменчивости критических частот слоев е ц F2 ионосферы, це связанных с долгопериодными вариациями гелиогеофпзических условий. Выявлены его основные морфологические характеристики, оценены величины трендов изменений f е н
Достоверность получень >.' d работе результатов обеспечивается:
летальным факторним анализом геофизических явлений, обусловленных квазплшч хчинированнон пространственно-временной изменчивости!) к»/ко- и среднешнротной ионосфер»;
физическим обоснованней кр'териеп корректности видалення пространственных факторов нзгончпвостп из ланіпіх измерений ионосферных характеристик с пол/.'зпшх платфюрн типа научно-исследовательских судов;
- статистически обосновашшм анализом корреляций прост-ранственно-временных вариаций параметров нижней ионосферы с характеристиками вышележащих слоев при различных гелпогеофизп-ческих условиях;
статистически обоснованным анализом долгопериодных вариаций параметров ионосферы, не связанных с шюголетшшп колебаниями гслпогеофнзнческнх условий.
На защиту выносятся едедунїцие основные положения.
Т. Показано существование в низко-среллеширотной области о ионосферы легальных, крупномасштабных (о горизонтальными размерами от сотен до тысяч Ю! в поперечнике!), квазиетационар-ш».х зон с аномально повниенннми или поиигєшпши значениями олектіюнноіі концентрации ("„), в которых отклонения ±Дпо от' фоновых значений достигают фактора 3-5. Явление обнаружено на основе анализа оригинальных результатов десятилетнего цикла измерений ионосферного поглощения радиоволн модифицированный методом диагностики нижней ионосферу, (АІ-Н) на научно-исследовательских судах в акватории Мирового океана, а ташее данных измерений поглощения традіїцпошшзі методом ЛІ на сети стационарных станций.
2. Результаты обобщения корабельных п наземных измерений величин поглощения, данных мировой сети наземлого вертикального зондирования и внешнего зондирования с помоцыо ИСЗ, заключающиеся в выводе о том, что явление гаазистациопар-1шх зон положительных и отрицательных аномалий ±Дп имеет место на всех высотах ионосферы ниже максимума слоя Fa. Наличие устойчивой корреляции и взаимосвязи мехлу эффектами аномалий ±лп в d, е, fi и тр. слоях ионосферы приводят к представлению о пятннелгоетз
- 6 -структури шізко- н среднеширотной ионосферы.
3. Качественная интерпретация явления пятнистости
' структуры ионосферы ниже максимума слоя fz на основе
теоретического анализа механизмов, приводящих к взаимосвязи процессов, стимулирующих развитие аномалий ±Дпе на высотах от о до F2 слоев. Оценена роль особенностей атмосфер-' . uoii циркуляции, благодаря которым возникают устойчивые локалыше возмущения Сположителыше и отрицательные отклонения' от фоновых значений) скорооти вертикального массового переноса и, как следствие, термического и турбулентного режимов средней и верхней атмосферы. Получено, что обусловленные ими возмущения газовогг ц ионного составов незо-терыосферы порождают, в конечном счете, комплекс явлений, охватывающих все слои ионосферы.
4. Установление тенденции в слоях е и F2 ионосферы к
долгопериодным (климатического масштаба) изменениям критичес
ких частот н установлены некоторые закономерности их многолет
них трендов. Обосновано предположение, что долгопериодные
вариации fQE и fQF2 могут быть связаны с вариациями азроно-
мических характеристик верхней атмосферы.
Научная и практическая значимость работы определяется
тем,что: ' '
- усовершенствованная методика наземного мониторинга
области о ц разработанные на ее основе аппаратурные комплексы
могут найти широкое применение для решения фундаментальных и
прикладных задач диагностики в реальном времени оостояшш
нижней ионосферы а аффектов ее возмущения естественного и
искусственного происхождения;
данные экспериментальных исследований пространственно-временной структуры ионосферы над акваторией Ыирового океана могут быть рекомендованы для оптимизации энергетики и режима радиосвязи в KB и СВ-диапазонах на длинных и сверхдлишшх трассах;
результаты анализа глобальной структуры ионосферы могут послужить основанием для усовершенствования, корректировки и дальнейшего развития эмпирического и' теоретического моделирования ионосферы и термосферы;
теоретические исследования влияния турбулентной
диффузии и малих составляющих атмосфері па состояние нижней ионосферы могут бнть использованы для оценки естественных долговременных трендов солнечно-земных связей п антропогенных воздействий на оклоземное космическое пространство;
- обнаруженное явление многолетней модификации ионосферы, свидетельствующее о том, что изменения климата затрагивают не только приземные, но п верхние слои атмосферы, может способствовать ра:-!'нтюо подходов к проблеме глобального потепления климата Земли и влияния на него антропогенной деятельности.
Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежит приоритет в постановке задач, руководстве проведением оригинальных корабельных экспериментов, анализе и интерпретации данных измерений. Основное содержание работы изложено в 40 публикациях. Большинство ключевых теоретических исследований С ID выполнено автором самостоятельно. В 23 работах развивались пдеи, предложенные автором.
Апробация работы. Слювные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались па следующих конференциях, совещаниях и семігаарах:
Международное совещание по взаимодействию структурных шарме'йро'в "йезосферы и нижней термосферы (Таллин, 1975); ИЗсесшшяя 'конференция по физике ионосферы (Ашхабад, 1976); 'Сййинар 'ҐШ1Г 'йб физике страто-мезосферы и нижней ионосферы 'СРостов^на-Дону, 1977); П Всесоюзный симпозиум по результатам 'исследований средней атмосферы (Москва, 1986); vi Всесоюзное совещание по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1987); Семинар КАИР по спутниковым исследованиям «биосфера (Калуга, 1988); v симпозиум КАПГ по солнечно-земной физике (Самарканд, 1989); Всесоюзный симпозиум "Ионосфера и взаимодействие декаметрових радиоволн с ионосферной плазмой (Звенигород, 1989).
Реализация результатов. Результат* Ш їзйводд, на 'обігове которых подготовлена дссертация, были ЖУйоЗігзбвайї рй выполнений .ряда научно- нсследовате-'пйокйх її "хоздсй'сШрных работ, с Централъйой 'Аэрологической'- <0&е%рваторйей, '5ЙП0 ""Комета", НПО ""Віїм'йел"''', Разработка длагвсйТОчесхсй Шіаїй-.їури
подтверждается соответствующий актом о внедрении.
Структура и обьеы работы. Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Она содерасит 248 страниц оснрвдог/эь текста, 116 рисунков, 21 таблилицу и список использоващ.«$& литературы к основному тексту, вюшчаксуш 297 наименований*.