Введение к работе
Диссертация посвящена комплексному исследованию специфического для полярной ионосферы геофизического явления -возникновения в ней анизотропных мелкомасштабных неоднородностей, получивших название "авроральных" или "радиоавроры".
Актуальность этих исследований определяется несколькими факторами.
Во-первых, анизотропные мелкомасштабные неоднородности,
ориентированные по. силовым линиям магнитного поля Земли,
интенсивно рассеивают радиоволны УКВ диапазона в заднюю
полусферу и тем самым нарушают работу радиолокационных
средств, дислоцированных в полярных районах. Разработка
методов борьбы с этой естественной помехой требует детального
исследования. " рассеивающих свойств авроральных
неоднородностей,^ определения районов, где они возникают . наиболее часто, ' и построения общей картины распределения авроральной помехи на земном шаре.
Во-вторых, авроральные неоднородности, возникающие в полярной ионосфере во время магнитосферной суббури, являются одним из геофизических эффектов аврорального комплекса (радиоаврора), и их изучение дает столь же ценную информацию о процессах в ионосфере и магнитосфере, как изучение полярных сияний, магнитных возмущений и т.д.
В-третьих, анизотропные неоднородности электронной концентрации возникают в ионосфере Земли, благодаря развитию в ней различного рода плазменных неустойчивостей. Поэтому 'изучение механизмов возникновения этих неустойчивостей является одним из способов исследования коллективных процессов в плазме, причем в ряде случаев с таким пространственным и временным разрешением, которое недоступно в лабораторных условиях.
В-четвертых, знание механизмов возникновения авроральных неоднородностей, открывает возможность применения радиолокационных методов для наземного измерения параметров возмущенной полярной ионосферы (измерение электрических полей, ионосферных токов, продольных токов и т.д.).
Цель исследований. Задача развития нового научного направления исследований была в свое время возложена на Полярный геофизический институт КФ АН СССР. В конце 1963 г. автору .данной диссертации было предложено создать в ПГИ специальную лабораторию с целью осуществить комплексное исследование нового геофизического явления, установить его общие
закономерности и на этой основе создать теоретическую модель образования в полярной ионосфере анизотропных мелкомасштабных неоднородностей:
Для выполнения этой задачи в. лаборатории была разработана долговременная программа исследований, включающая в себя три основных раздела:
1. Экспериментальное и теоретическое изучение
закономерностей рассеяния радиоволн УКВ диапазона
анизотропными неоднородностями полярной ионосферы.
-
Построение общей картины частоты появления авроральных неоднородностей в различных районах земного шара и исследование связи глобальных морфологических распределений радиоавроры с.распределениями других геофизических явлений.
-
Создание теоретической модели образования в возмущенной полярной ионосфере авроральных неоднородностей.
Научная новизна работы. Для реализации этой программы в лаборатории были разработаны и изготовлены сложные измерительные установки, создан радиофизический полигон в Лопарской, оснащенный современной радиолокационной техникой. Эпизодически развертывалась широкая сеть полуавтоматических радиолокационных станций на севере России ( в пунктах Яовозеро, Кончезеро, Воркута, Норильск, мыс Желания (Новая Земля), Боярская, Волдозеро, Эссойла, Кармасельга) и в Антарктиде (Мирный, Молодежная, Моусон, Дейвис). Следует подчеркнуть, что создание такого крупного научно-исследовательского комплекса было бы невозможно без помощи дирекции ПГИ, руководства КФ АН СССР, отдела общей физики АН, Орготдела Президиума АН, Секции прикладных проблем АН и Научного совета по проблеме "Распространение радиоволн". Важным этапом в реализации программы была постановка первой в Советском.Союзе большой комплексной работы по исследованию авроральных радиотражений. Эта работа выполнялась под руководством автора диссертации и объединяла все научные учреждения, занимающиеся изучением данной проблемы (ПГИ, РТИ, ИКФИА, НИИ 2 и др.). Целью этой работы было, в основном, решение первой из перечисленных выше задач - исследование радиофизических характеристик рассеянного сигнала для разработки методики борьбы с авроральной помехой радарам, дислоцированным в полярных районах. Затем лабораторией был выполнен еще ряд комплексных работ по этой же тематике. Часть из них была посвящена исследованию рассеяния радиоволны УКВ диапозона под утлом к вектору падающей волны. С целью изучения возможности создания исскуственной радиоавроры, лаборатория принимала активное участие в экспериментах "Зарница", "Зарница-
2", советско-французском эксперименте "Араке" и в эксперименте "Хибины М". Перечисленная серия работ позволила ликвидировать значительное отставание Советского Союза в области исследования рассеивающих свойств авроральных неоднородностей, а по ряду разделов вывела эти исследования на передовые рубежи.
Что касается второго и третьего разделов программы (построение глобальных распределений и создание теоретической модели авроральных неоднородностей), то оказалось, что для их реализации необходимо преодолеть ряд принципиальных затруднений, роль которых первоначально недооценивалась.
Первое из них связано с тем, что для построения глобальных распределений радиоавроры необходима единая глобальная сеть радиолокационных станций, а ее создание по ряду причин было невозможно. Поэтому возможность решения этой задачи зависила от того, удастся ли найти какой-то другой способ, позволяющий строить глобальные распределения по данным не глобальной, а региональной цепочки,станций.
Второе затруднение связано со специфическим для радиоавроры ракурсным эффектом. Он приводит к тому, что радиолокатор регистрирует не все случаи появления авроральных неоднородностей. Чем хуже ракурсные условия станции, тем реже она регистрирует отражения. Поэтому по данным о частоте регистрации отражений трудно, а иногда и невозможно, определить истинную частоту появления авроральных неоднородностей. Для построения глобальной картины частоты появления авроральных неоднородностей необходим какой-то способ, позволяющий исключать из статистического массива радиолокационных данных искажающее влияние ракурсного эффекта.
Третья трудность связана с созданием теоретической модели .образования авроральных неоднородностей. В 1963 году. т.е. тогда, когда в ПГИ только создавалась лаборатория радиолокации, уже существовала линейная теория, устанавливающая связь авроральных неоднородностей с развитием в ионосфере Фарлей-Бунемановской (Ф-Б) неустойчивости. Но линейная теория описывает лишь начальный этап образования неоднородности и ничего не говорит о его конечной (нелинейной) стадии. Между тем, для расчета радиофизических характеристик рассеянного сигнала требуется полная модель авроральных неоднородностей, включающая в себя как линейный, так и нелинейные этапы. Многолетние усилия советских и зарубежных теоретиков в области создания нелинейной теории не привели к ощутимым результатам. Поэтому третий пункт программы был скорректирован и заменен более простой задачей создания полуэмпирическей модели авроральных неоднородностей, правильно отображающей основные свойства рассеянного сигнала.
Преодоление указанных выше трех принципиальных затруднений потребовало гораздо больших усилий и времени, чем предполагалось вначале. Тем не менее, они были преодолены и данная диссертация подводит итог многолетних исследований лаборатории, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора.
Новизна диссертационной работы состоит в том, что:
1. Комплексное исследование радиоавроры, как
самостоятельного физического явления, выполнено в Советском
Союзе впервые, а ряд полученных при этом результатов
принадлежит к разряду новых, неизвестных ранее в мировой
практике.
2. Отсутствие глобальной сети радиолокационных станций не
позволяло строить глобальные распределения радиоавроры
традиционным способом и эти распределения раньше в геофизике
были неизвестны. Разработанный в диссертации способ их
построения по данным региональной цепочки станций позволил
впервые получить конфигурацию зоны появления авроральных
неоднородностей наземном шаре.
3. Присущий радиоавроре ракурсный эффект не позволял
определять частоту появления авроральных неоднородностей по
частоте регистрации радиотражений. Разработанный в диссертации
способ определения вероятности по положению границы пояса
существования геофизического эффекта позволил .преодолеть эту
трудность и впервые получить глобальную пространственно-
временную картину вероятности появления авроральных
неоднородностей.
4. Предложенная в диссертации нелинейная полуэмпирическая
модель авроральных неоднородностей позволила впервые
рассчитать все основные характеристики, авроральных
радиотражений и провести их сопоставление с экспериментом.
5. Сопоставление показало, что некоторые из
экспериментально наблюдаемых закономерностей, например,
доплеровские спектры, невозможно объяснить в рамках
традиционной модели ламинарного ионосферного тока.
Разработанная в диссертации более общая полуэмпирическая
модель с учетом турбулентности ионосферного тока позволила
впервые рассчитать все типы доплеровских спектров авроральных
радиотражений.
6. Знание аналитического выражения для доплеровского
спектра авроральных радиотражений позволило предложить
методику наземного радарного измерения параметров возмущенной
полярной ионосферы по форме доплеровского спектра.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в диссертации радиофизические характеристики сигнала используются разработчиками при проектировании различных радиотехнических систем, функционирующих в полярных районах. Этим же целям служат морфологические распределения радиоавроры, позволяющие прогнозировать появление авроральной помехи в различных районах земного шара. Во-вторых, созданная полуэмпирическая модель авроральных неоднородностеи, дающая возможность рассчитывать доплеровские спектры рассеянного сигнала, открывает широкие возможности в области создания нового класса радарных измерительных установок для оперативного наземного измерения электрических полей и других параметров возмущенной полярной ионосферы.
Апробация результатов осуществлялась тем, что большинство из
выполненых работ принимались специальными
межведомственными комиссиями. Кроме того, по материалам, полученным в процессе выполнения этих работ, защищены четыре кандидатских и одна докторская диссертация. Результаты работ докладывались на XY Генеральной ассамблее МАГА ( Москва, 1971 ) , на X Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( Иркутск, 1972), на международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике ( Москва, і 974 ), на Международном совещании "Геомагнитный меридиан" (Ленинград, 1976), на Международном симпозиуме КАПГ по солнечно -земной физике ( Тбилиси, 1976 ), на Всесоюзном совещании по физике геомагнитосферы ( Иркутск, 1977 ), на Ассамблее МАГА в Киото ( 1973 ) и Сиетле ( 1977 ), на Всесоюзных семинарах "Физика радиоавроры и авроральная суббуря" ( Мурманск,1980,1983 ) и на .объединенных семинарах ПГИ-ЛГУ ( 1983-1992).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ, включая
монографию и два тематических сборника. Основные результаты
диссертации, изложенные в этих работах, получены лично автором.
К ним относится разработка теории канонической системы
координат и способа ее построения, разработка метода исключения
ракурсного эффекта из статистического массива данных, разработка
метода построения глобальных статистических распределений,
разработка полуэмпирической модели авроральных
неоднородностеи.
Часть работ выполнена автором совместно с сотрудниками лаборатории радиолокационных методов исследования полярной ионосферы и других лабораторий ПГИ.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Разработан способ построения глобальных распределений радиоавроры по данным региональной цепочки станций и с его помощью впервые получена глобальная конфигурация пояса, в котором могут возникать авроральные неоднородности ( аналог овала полярных сияний).
-
Разработан способ корректировки искажающего влияния ракурсного эффекта и с его помощью впервые подучено глобальное распределение вероятности появления авроральных неоднородностей.
3. Предложена нелинейная полуэмпирическая модель
авроральных неоднородностей, впервые позволившая рассчитать
все основные характеристики рассеянного сигнала.
4. На ее основе разработана методика наземного определения
электрических полей в ионосфере по форме доплеровских спектров
авроральных радиотражений.
Предметом защиты являются результаты теоретических и экспериментальных исследований анизотропных неоднородностей полярной ионосферы, выполненных в ПГИ в лаборатории радиолокационных методов исследования под руководством и непосредственном участии автора диссертации.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии, содержит 205 страниц текста, 105 рисунков и 347 наименований отечественной и зарубежной литературы.