Введение к работе
Предметом диссертации являются экспериментальные н теоретические исследования пространственно-временных особенностей геомагнитных пульсаций, отражающие, с одной стороны, физические процессы в околоземной плазме, а с другой стороны, представляющие собой основную помеху при проведении точных магнитных съемок и при выделении на их фоне магнитных импульсов от движущихся намагниченных объектов.
Актуальность работы
В последние десятилетия интенсивно развивались исследования физических процессов в околоземном космическом пространстве и изучение структуры земной коры с помощью геомагнитных пульсаций - естественных электромагнитных возмущений в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне 5 -0,001 Гц.
Геомагнитные пульсации возбуждаются вследствие взаимодействия солнечного везра с магнитосферой Земли и развития различного рода плазменных неустончивосгей и резонансных процессов в магнитосфере и ионосфере Земли. В целом УНЧ волновые поля имеют сложный характер генерации и распространення, зависящий от магнитной возмущенности и от активных процессов на Солнце.
В связи с этим геомагнитные пульсации представляют собой важный объект в геофизических исследованиях, т.к. в них заложена неоценимая информация о физических процессах в естественной плазменной лаборатории - ближнем космосе и об индукционных процессах в земной,
коре, поэтому при исследовании информативных свойств геомагнитных пульсаций основное внимание уделяется изучению физических параметров и структуры солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы Земли и геозлектрнческнх характеристик земной коры. Однако, с другой стороны, геомагнитные пульсации можно рассматривать как естественные электромагнитные возмущения, представляющие собой основную помеху при выделении на их фоне малых магнитных импульсов от движущихся намагниченных объектов и при проведении точных магнитных съемок. Этой актуальной проблеме, имеющей научную и практическую значимость, и посвящена настоящая работа.
Цель работы состоит в исследовании .пространственно-временных особенностей геомагнитных пульсаций, их связи со структурой п динамикой магнитосферы и ионосферы, в определении возможности техногенного влияния на ультранизкочастотные процессы, выделении малых магнитных нмпульсои на фоне естественных и техногенных У114 электромагнитных излучений и его учета при проведении точных магнитных съемок.
В соответствии с целью.работы были поставлены следующие задачи:
1. Экспериментально определить пространственно-временное
распределение параметров геомагнитных пульсаций различных типов от
авроральных до средних широт вдоль меридионального профиля,
пересекающего в субавроральных широтах проекцию границы плазмосферы
на земную поверхность.
2. Выявить зависимость меридионального распределения параметров
геомагнитных пульсаций в субавроралыюй зоне or магнитной активноеги и
от динамики холодной плазмы в магнитосфере и ионосфере Земли.
3. Экспериментально и теоретически выявить возможность
определения местоположения проекции плазмопаузы на земную поверхность
и диагностики концентрации холодней плазмы нутри плазмосферы по особенностям в пространствеїпю-времен.іом распределении геомагнитных пульсации па земной поверхности.
4. Выявить эффекты в изменении уровня фона геомагнитных
пульсаций при воздействии на субгшроральную испосф.чу очень
низкочастотным излучением от мощного наземного ралнгчередагчика.
5. Провести анализ характерных просграпствешю-гременных
особенностей распределения геомагнитных пульсаций как естественного
фона-помехи, определит- методы и алгоритмы подавления этого фона для
выделения малых магнитных нмнудьсор от дпіпкущичся намагниченных
объектов і; его учета при проведении точных магнитных съемок.
6. На основе дифференциальных измерений геомлгпнпых пульсапин
разработать новый метод для изучения типпмики их ионосферных и
лптосферных источников.
Для решения перечисленных задач необходимо было обосновать., организовать и провести эксперименты, обработать материалы наблюдении геомагнитных пульсаций на густой сети станций вдоль меридионального профиля в различные годы и сезоны, изучить зависимость пространственного распределения параметров геомагнитных пульсаций от магнитной активности и сделать физическую интерпретацию.
ll;,juecni серию активных геофизических экспериментов с техногенным воздействием на субавроральпую 'ионосферу очень низкочастотным радиоизлучением от мощного наземного передатчика.
Ik. основе результатов экспериментов определить основные особенности в пространственно-временном распр делении гесмагнитных пульсаций как естественной помехи для выделения на их фоне магнитных импульсов.
Проанализировать возможности численного .математического моделирования поля геомагнитных пульсациіі с целью их пересчета на большие расстояния дл5. зведення поправок г материалы наблюдений точных мапштнмх съемок.
Научная новизна
В pi.oore впервые получены следующие оригинальные результаты:
1. В субавроральных широтах, вдоль меридионального профиля,
пересекающего границу илазмосферы параметры геомагнитных пульсаций
л:па РсЗ, Рс4, РІ2 имеют следующие пространственно-временные
особенности: среднеширотный максимум и субавроральнып минимум
амплитуд, сглаживание спектра, изменение времени запаздывания, смену
направления ' поляризации. Пространственно-временные особенности
геомагнитных пульсаций зависят от маї-читкой активности. Показано, что
наиболее простым параметром для оперативного определения
местоположения границы илазмосферы - плазмоиаузы является
распределение амплитуд геомагнитных пульсаций на плотной сети станций ( Дф~], Л < 0,15 ) вдоль меридионального профиля (53 < Ф„, < 65) или на трех станциях в узком интервале шпрот, где необходимо контролировать
появление проекции границы щтмосферы на земную поверхность.
2. Из анализа поведения амплитуд пульсаций на густой сети станций
вдоль меридиана в узком интервале широт ~ 1 (~ 0,15R0) впервые обнаружен
промежуточный максимум амплитуд пульсаций вблизи проекции
г, плазмопаузы ( ~ 60). Наиболее четко этот максимум проявляется в период
суббурь и во время интенсификации амплитуд пульсаций, когда
увеличиваются градиенты концентрации холодной плазмы на границе
плазмосферы и возрастают значения альвеновских скоростей в
экваториальной плоскости магнитосферы..
3. Найдено локальное упеличенле амплитуд ' 'омапштных пульсаций с
периодами 60 -200 сек и риомстрического поглощения и вечернем секторе на
(р„,~6Э (L ~ 4) «близи проекции плазмопаузы а сублароральных шпротах п
период положительно;": суббурп, что можно использовать для
прогнозирования появления интенсивного западного олсктооджста
(отрицательной суббури) из меридиане наблюдения пульсаций.
4. Для определения концентрации холодної! плазмы внутри
илазмосферм предложена физическая модель распространения в
магнитосфере Земли возмущения магннтозвукового типа вдоль плоскости
геомагнитного экватора в холодной неоднородной плазме с локальне "і
альвеновской скоростью и амплитудой магнитного поля обратно
пропорциональной величине альвеновской скорости (VA).
-
В результате проведенных активных экспериментов по воздействию мощным ОПЧ-пздучсннем от наземного передатчика на ионосфер.чо-магк.ч-тосферную плазму показало, что можно стимулировать появление геомагнитных пульсаций с повышенными а 1,4 - 2 раза амплитудами в некоторой локальной области.
-
Вследствие того, что геомагнитные пульсации представляет собой основную помеху при выделении малых магнитных импульсов и при проведении точных магнитных съемок, в работе предложены два метода для практической реализации подавления геомагнитных пульсаций - физический и математический.
Совместное использование вышеуказанных методов позволяет достичь максимального коэффициента подавления геомагнитных пульсаций.
Рассмотрен пространственный пересчет напаметров пульсаций на основе ноносферно-токопой модели источника.
7. Предложен оригинальный метод пассивной геофизическое магнитной локации (и ультранизкочастотном диапазоне) на основе высокочувствительных дифференциальных измерений компонент геомагнитных пульсаций для определения фазовой скорости распространения пульсаций, локализации скорости дрейфа и интенсивности (т.е. дина: лки) ионосферных и лнтосферных токовых систем, ответственных за магнитные возмущения в УНЧ-диапазопе.
Основные положения диссертации, выносимые нп защиту
1. Пространственно-временные особенности геомагнитных пульсации
типа ГгЗ, Рс4, РІ2 вдоль меридионального профиля в субавроральных
шпротах; среднешпротный максимум, субавроральный минимум и их
зависимость от магнитной активности. Промежуточный максимум амплитуд
пульсаций на густой сети станций вдоль меридиана в узком интервале широт Дф„,~ 1(~0,15 R3) вблизи проекции плаз.мопаузы (ф„, ~ 60").
2. Фі. ліческая модель распространения в магнитосфере Земли
возмущения мапштозвукового типа вдоль плоскости геомагнитного экватора в холодной неоднородной плазме с локальной альвеновской скоростью и амплитудой магнитного поля обратно пропорциональной величине альвеновской .корости (VA) для определения концентрации холодной плазмы по амплитудам геомагнитных пульсаций.
3. Стимулирование появления геомагнитных пульсаций с
повышенными в 1,4-2 раза амплитудами в результате воздействия мощным
ОНЧ излучением от наземного передатчика на ионосферно-магшггосферную
плазму в субавроральных широтах.
4. Методы подавления и пространственный пересчет параметров
геомагнитных пульсаций на основе ноносферно-токовой модели их
источника.
;». Метод пассивно?! геофизической магнитной локации в ультранизкочастотпом диапазоне по данным высокочувствительных дифференциальных измерений компонент геомагнитных пульсаций на мплоП Гіазс на дпух-трех станцилх, удаленных п ортогональных направлениях »іа расстояния 100 - G00 км.
Научная и практическая ценность работы:
Научная и практическая ценность работы заключается п получении большого ряда экспериментальных данных но выявлению особенностей в нространстьенпом распределении параметров геомагнитных пульсаций на густой сети станин.! вдоль меридионального профиля на северо-зопаде Госспп, пересекающего проекцию илазмопауэы п внешнего раднацношюго пояса на земную поверхность, а также их зависимость от геомагнитной активности и лгх связь с динамикой холодной плазмы в иапнггосферс и ионосфере Земли.
Показана возможность техногенного влияния . мощным ОНЧ излучением от наземных передатчиков на поле геомагнитных пульсаций, 'гго имеет существенное значение для понимания проблемы генерации пульсации и позволяет контролируемо изменять их интенсивность.
Научную, методическую и практическую ценность имеет также рассмотрение геомагнитных пульсаций как помех и соответствующее физическое обоснование выделения магнитных импульсов от движущихся намагниченных объектов (на зелие, на воде и в воздухе) на фоне естественных ультраинзкочзстогных помех и дистанционного учета поля геомагнитных пульсаций при проведении точных магнитных съемок в трудно-
.10
доступных районах (акватории, гори, пустыни и ледовые поля), а также метод дифференциальных вьісокочувствіггсльньїх измерений геомагнитных пульсаций на малой базе на удаленных станциях длл изучения динамики как ионосферных,.так н лптосферных источников геомагнитных пульсаций.
Сформулированные в работе научные выводы получили признание как отечественных, так и зарубежных исследователей, цитировались и статьях по 'геомагнетизму различных авторов, были использованы в монографиях и обзорах - Орр Д. "Маппппые пульсации в магнитосфере", 1973; Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова И.Г. "Оозмущешш электромагнитного поля Земли", ч. 2, 5976; Молчанов О.А. "Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной шіазме", 19S5.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется использованием больших массивов экспериментальных данных, статистической обработкой материалов наблюдений, повторяемостью результатов, сравнением с теоретическими представлениями и расчетный, а также с выводами других авторов.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных и отечественных научных конференциях:
Генеральные Ассамблеи МАГА - Москва, 1971; Киото, 1973; Сан-Паула, 1975; Вена, 1991; Боулдер, 1995;
Международный симпозиум "Геомагнитный меридиан" - Ленинград, 1976;
Советско-финская Рабочая группа по геофизике - Ленинград, 19S4; Мурманск, 1986; Хельсинки, 1990, Хельсинки, 1992;
Всесоюзное совещание "Специальные воирсы физики ионосферы и распространения радиоволн" - Горький, 19о0;
V Всесоюзный семинар но ОНЧ-излучениям - .И>рманск, 1980;
Всесоюзный симпозиум "Э(|)фскты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли" - Суздаль, 1983;
Всесоюзный семинар "Перспективы исследований геомагнитных пульсаций" - Иркутск, 19S4;
S-я Всесоюзная чжола по "Электромагнитным зондированиям" -Киев, 19S7;
- Всесоюзный рабочий семинар "Волновые явления в магнитосфере" -
Борок, 19S7;
- Всесоюзное совещание рабочей группы "Электромагнитные
предвестники землетрясений" - Махачкала, 1989;
- Международная рабочая группа США - Россия по "Обмену
геофизическими технологиями" (GTTI) - Денвер, 1992;
Индийско-ру.ский симпозиум "Природа геомагнитного по;ы и его вариаций" - Дели, 1993;
20-е Европейское совещание рабочей группы НАТО "Изучение атмосфера оптическими методами" - Апатиты, 1993;
- Международная рабочая группа "Электромагнитные явления,
связанные с предсказанием землетрясений" -Токио, 1993;
Совместная конференция США - Россия (DG1) - Квинстаун, 1994;
Международная рабочая группа "Геомагнитные инструменты, сбор и обработка данных" -Дурбес, 1994;
- Международная геофизическая конференция SEG, Спп.т-Пстербург, ... 1995i! др.
Литер имеет S6 публикаций. г!о теме диссертации, опубликовано 76 научных работ в отечественных и зарубежных периодических изданиях, основные из них 21 приведены, в автореферате.
Личный вклад
Автор принимал актин нос участие в организации, разработке чі проведений различного рода геофизических экспериментов, связанных с наблюдениями геомагнитных пульсаций, проводившихся в авроралынлх, субавроральных л средних широтах па протяжении многих лет с 196-1 но 1995 гг. на территории Мурманской, Ленинградской, Архангельской, Камчатской и других областях, в Республике Карелия, Республике Грузия, Республике Казахстан, Республике Соха и в других регионах. Автор осуществлял научное и методическое руководство геофизическими экспериментами, принимал непосредственное участие в разработке, подготовке магнитометрической, измерительной и калибровочной аппаратуры, в проведении наблюдении геомагнитных пульс-апнй на меридионально.! сети станции и на отдельных станциях, а также в обработке и интерпретации результатов наблюдений. Автор также является равноправным соавтором всех основных- выводов и пиложсішГ), сформулированных и совместных научных публикациях, результаты которых представлены и обобщены в диссертации.
Структура и объем диссертации