Введение к работе
Работа посвящена исследованию дистанционными радиофизическими методами динамики ионосферной плазмы F-области, модифицированной мощными космическими (старты ракет) и наземными (взрывы) импульсными источниками средне- и крупномасштабных волновых возмущений.
Актуальность проблемы. Запуск первого искусственного спутника ознаменовал не только переход от эры космонавтики теоретической к космонавтике практической, но и выдвинул ряд новых физических проблем. Одна из них связана с модификацией верхней атмосферы и ионосферы волновыми возмущениями. По количеству энергии, выделенной в окружающее космическое пространство, ракеты, выводящие на орбиту космические аппараты, не имеют аналогов (кроме мощных наземных взрывов и работы средств и систем КВ-диапазона большой мощности) среди других способов искусственной модификации верхней атмосферы и ионосферы. Модификация верхней атмосферы взрывными акустико-гравитационными волнами тесно связана с мощными наземными химическими взрывами (в первую очередь строительными), а также с испытаниями ядерного оружия. При анализе последствий модификации верхней атмосферы, сопровождающей старты ракет, основное внимание обращалось на вопросы химической модификации и засорение космического пространства мелкодисперсными обломками. Вопросам волновой модификации должного внимания не уделялось.
Это связано с тем, что до сих пор истинная роль волновых возмущений в физике верхней атмосферы остается открытой. Поэтому неясны и возможные последствия волновой модификации верхней атмосферы с точки зрения охраны окружающей среды. Кроме того, ионосфера является средой, посредством которой осуществляется связь и вещание в КВ-диапазоне, через нее проходят линии связи УКВ и более высокочастотных диапазонов. Следовательно, нестационарность ионосферы, вызванная ее модификацией, является фактором, который может приводить к ухудшению качества передаваемой информации и надежности каналов связи. Все это является подтверждением актуальности и практической значимости анализа реальной картины модификации верхней атмосферы и ионосферы мощными импульсными источниками волновых возмущений в нейтральном газе. '
Целью работы является исследование, на базе выявленных особенностей распространения КВ-радиоволн, антропогенных волновых возмущений, возникающих после пролета ракет и проведения мощ-
ных взрывов, и анализ связей между уровнем волновой модификации верхней атмосферы, параметрами источника и внешними (гелио-геофизическими) условиями.
Сформулированные цели исследований потребовали решения следующих задач:
выявление, на основе теоретических и экспериментальных исследований, характерных форм возмущений в отклике сигнала, связанных с модификацией верхней атмосферы импульсными источниками;
определение иерархии времен появления пакетов возмущений в спектре сигнала;
выявление диапазонов изменений характерных пространственных и временных масштабов возмущений;
анализ влияния гелио-геофизических факторов на проявление возмущений в спектре сигнала;
определение методами нелинейной акустики закономерностей эволюции расходящихся акустических возмущений конечной амплитуды в процессе их распространения в неоднородной диссипативной атмосфере;
выявление основных закономерностей рефракции радиоволн на волновых возмущениях концентрации электронов, образованных акустическими волнами конечной амплитуды, с'учетом эффективной частоты столкновений и ориентации геомагнитного поля.
Эта последовательность задач представляет собой крупную проблему в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, имеющую важное фундаментальное и прикладное значение. Для ее решения применялись следующие методы:
метод наклонного доплеровского зондирования нестационарной ионосферы;
метод вертикального импульсного зондирования ионосферы;
метод нелинейной акустики;
методы геометрической оптики и акустики.
В диссертационной работе проведено обобщение результатов, полученных при выполнении НИР, в которых автор был научным руководителем либо ответственным исполнителем. Эти НИР выполнялись по координационному плану АН СССР на 1981-1985г.г. (раздел 1.5.4.1, пункт 2), комплексной программе "Сибирь" (раздел 4.2.1.), программе ГКНТ 074.09 "Атмосфера" на 1986-1990г.г. (раздел '02.Н6), а также работ, проводившихся в 1991-1997г. в рамках госбюджетной тематики отдела геофизики и экологии СФТИ (номер Гос. регистрации 01.9.30000408), по межвузовским научно-техническим программам МО-
ПО "Конверсия научно-технического потенциала вузов", "Конверсия и высокие технологии. 1994-1996гг., 1997-2000гг.", "Университеты России (Геокосмос)", при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 96-05-64907), грантов МОПО РФ {№ 2-81-5-24, № 93-02-02, № 95-03-36), х/д работ с ИПГ и ДАНИИ Роскомгидромета (1990-1994гг.). Полученные в работе новые результаты в области модификации F-области ионосферы мощными импульсными источниками использованы в ИПГ и ДАНИИ Роскомгидромета, НИРФИ, СФТИ при ТГУ, а также в процессе подготовки студентов, стажеров и аспирантов Томского и Якутского госуниверситетов.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту.
-
Воздействие на область F летящих в верхней атмосфере ракет "Союз", "Протон" и "Энергия" приводит к появлению двух групп нев-стречающихся в естественных условиях возмущений в спектрах сигналов наклонного доплеровского КВ-зондирования, регистрируемых на радиотрассах, пересекающих траекторию движения ракеты. Возмущения в спектре сигнала связаны с прохождением в верхней атмосфере ударно-акустических волн (первая группа), низкочастотных акустических пакетов и -цугов внутренних гравитационных волн (обе -группы). Основной формой отклика сигнала на прохождение ударных волн является несимметричная М-образная форма вариаций частоты.
-
Проявление возмущений от ракет в спектре сигнала КВ-зондирования и на ионограммах АИС зависит от времени суток, сезона года, воз-мущенности ионосферы, типа ракеты и высоты полета. Интервал существования ударных волн в спектре сигнала составляет ~ Змии, минимален зимним днем (~ 2мин) и максимален зимней ночью (~ 4.7мин). Вероятность появления низкочастотных акустических возмущений максимальна летом, среднее время существования составляет ~ 10.Змии, ночные значения превосходят дневные в ~ 1.5 раза. Период вариаций частоты акустических волн второй группы нарастает с момента появления от долей до ~ 3-=-5 минут, размах вариаций частоты вначале растет, а затем начинает убывать, асимптотически приближаясь к пулю.
-
Наличие двух групп акустических возмущений от ракет, летящих в верхней атмосфере, связано со следующими факторами.
3.1. Ударно-акустические возмущения; распространяющиеся в направлении, близком к вертикальному (первая группа), являются свободно распространяющимися волнами, для которых характерно: - при распространении импульсного возмущения вверх его эволюция
целиком определяется амплитудной дисперсией (iV-образная форма профиля сохраняется, пространственный масштаб - увеличивается); — при переносе возмущения вниз происходит "сжатие" возмущения, в итоге пространственные размеры ударных возмущений у поверхности Земли в десятки раз меньше размеров ударной волны на уровне области F (возможные причины "сжатия" возмущения: отражение от мезо-паузы низкочастотных составляющих, фазовая дисперсия). 3.2. Волновые пакеты второй группы представляют собой захваченные мезосферно-термосферным волноводом ударно-акустические импульсы, специфическая форма вариаций частоты и амплитуды которых в отклике сигнала обусловлена волноводными свойствами земной атмосферы при переносе возмущения в горизонтальном направлении, совпадающим с осью волновода.
-
Уравнению Бюргерса, обобщенному на случай неоднородных, дис-сипативных сред и расходящихся импульсных акустических возмущений, удовлетворяют асимптотические соотношения, связывающие относительную амплитуду, ширину ударного фронта и длину импульса с относительной амплитудой возмущения на граничной поверхности, радиусом этой поверхности, расходимостью возмущения, высотой однородной атмосферы и длиной свободного пробега. При распространении периодической последовательности акустических волн в сторону уменьшения плотности среды формируется последовательность ударных волн, амплитуда которых асимптотически стремится к пределу, пропорциональному отношению длины волны к высоте однородной атмосферы и не зависящему от степени расходимости возмущения.
-
Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-спгнала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, включающая в себя модель фоновой ионосферы, нестационарную модель возмущения электронной концентрации, метод расчета параметров радиосигнала (метод геометрической оптики), учитывающая тип источника, его мощность, местоположение (взрыв), скорость и направление перемещения (ракета), геофизические условия, эволюци-онность возмущения в нейтральной компоненте, влияние геомагнитного поля на увлечение заряженной компоненты, в предположении, что область, занимаемая возмущением, суть сечение плоскостью радиотрассы расширяющейся сферы (взрыв) или перемещающегося конуса (ракета), обеспечивает оценку параметров возмущений в нейтральной и заряженной компонентах и параметров регистрируемого радиосигнала (вариаций частоты, углов прихода, времени распространения, вели-
чины ослабления).
6. Воздействие ударно-акустических волн от ракет на область F ионосферы приводит (при отношении частоты зондирования к максимально применимой менее 0.7) к появлению отклика сигнала на трассах, протяженностью сотни - тысячи километров, М-образного вида, увеличение частоты зондирования трансформирует М-образное возмущение в "разорванное петлеобразное", дальнейшее увеличение частоты зондирования приводит к замене возмущения "петлеобразной" формы на возмущения более сложных форм и появлению в отклике сигнала точек возврата. При одновременном проведении двух взрывов мощностью 100т ТНТ, разнесенных вдоль радиотрассы па ~ 500км, появление возмущений в отклике сигнала разнесено по времени появления и диапазону дальностей, при уменьшении расстояния до ~ 150км "М" - образные вариации частоты сливаются в "трехгорбыс" вариации частоты, а при расстоянии ~ 50км раздельная регистрация откликов сигнала от разных взрывов невозможна.
Достоверность и обоснованность научных положенні!, основных результатов и выводов определяется физической обоснованностью проведенных экспериментов, повторяемостью результатов и их подтв'ержде--нием в единичных экспериментах других авторов {Э.Л.Афраймович, Н.Ф.Благовещенская, В.П.Дробжсв, А.Н.Ппнепш, Е.А.Пономарев, Р. Argo, E.Blanc, H.G.Booker, I.Tolstoy), большими рядами экспериментальных данных, на основе которых сделаны соответствующие выводы, согласием результатов теоретического анализа и данных эксперимента между собой, а также совпадением с теоретическими результатами других авторов (Г.С.Голицын, К.Е.Губкин, И.Н.Романова, F.Einaudi) в пересекающихся областях.
Научная новизна работы определяется рядом впервые проведенных экспериментальных и теоретических исследований и полученных результатов, основные из которых заключаются в следующем.
Экспериментально и численным моделированием установлено:
влияние пролета в ионосфере ракет "Союз", "Протон" п "Энергия" на появление возмущений в спектре сигнала, зарегистрированного на трассе наклонного доплеровского КВ-зопдировапия, пересекающей траекторию движения ракеты;
появление в спектре сигнала отклика на ударно-акустические возмущения от мощных наземных взрывов, эпицентры которых находятся вблизи плоскости КВ-трассы под участком траектории, расположенным в ионосфере.
Установлено существование зависимостей проявления ударно-акустических волн и низкочастотных акустических пакетов от ракет в спектре сигнала КВ-зондирования (время появления, интервал существования, амплитуда вариаций частоты) и возмущений на ионограммах АИС (вероятность появления, интервал существования) от времени суток, от сезона года, от возмущенпости ионосферы, от типа ракеты и высоты ее полета,
Выявлена зависимость эволюции импульсных акустических возмущений, образованных мощными антропогенными источниками в верхней атмосфере (ракеты, высотные взрывы), от направления переноса возмущения (от места генерации вверх, в направлении, близком к горизонтальному, пли вниз). Установлено соотношение между временными масштабами ударной волны в верхней атмосфере и длительностью возмущений, зарегистрированных на поверхности Земли.
Проведено обобщение уравнения Бюргерса на случай неоднородных, нелинейных, диссипативных сред и расходящихся акустических возмущений. Определены закономерности эволюции расходящихся акустических возмущений от периодических, импульсных и шумовых процессов, заданных на граничной поверхности, и проведена оценка параметров ударно-акустических волн от ракет и мощных (сотни тонн ТНТ) взрывов на уровне области F верхней атмосферы.
Обоснована и реализована замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-сиг-нала на средпешнротных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров.
Научная значимость работы заключается в следующем. Решена важная научная проблема в области охраны окружающей среды, что позволило:
оценить уровень антропогенной модификации верхней атмосферы на высотах области F средпеширотной ионосферы ударными и акустико-гравитационными волнами от мощных (сотни тонн ТНТ) наземных взрывов и ракет, выводящих па орбиту космические аппараты;
выявить геофизические факторы, регулирующие вероятность появления волновых возмущений, время их появления, интервал существования, амплитуду вариаций частоты в спектре сигнала.
Установленные закономерности формирования отклика сигнала при появлении в верхней атмосфере ударных акустических возмущений вносят вклад в понимание механизмов распространения радиоволн на трассах связи, проходящих через модифицированнную ионосферу; выявленные закономерности эволюции ударно-акустических волн -
в акустику верхней атмосферы; установленные закономерности проявления пакетов низкочастотных волн - в понимание значения и роли мезосферно-термосферного волновода в динамике верхней атмосферы. Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы КВ-снгнала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров позволила: а) доказать связь специфических откликов сигнала, зарегистрированных экспериментально, с появлением в верхней атмосфере ударно-акустических волн от ракет и взрывов; б) выявить основные закономерности формирования отклика сигнала; в) установить количественные соотношения между параметрами отклика сигнала и параметрами возмущения.
Практическая значимость работы определяется следующим:
Закономерности проявления отклика сигнала наклонного зондирования при воздействии на верхнюю атмосферу волновых возмущений от ракет и взрывов могут быть использованы для прогнозных оценок антропогенных нагрузок на верхнюю атмосферу, ионосферу, ионосферные каналы связи, околоземное космическое пространство, возникающих во время запусков ракет, маневров на орбите тяжелых космических аппаратов и проведения мощных (сотни тонн ТНТ) наземных взрывов.
Замкнутая радиофизическая модель для отраженного от возмущенной ударными волнами ионосферы KB-сигнала на среднеширотных радиотрассах протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч километров может быть использована для оптимального планирования и интерпретации результатов дорогостоящих активных экспериментов по модификации области F ионосферы.
Измерительно-вычислительный комплекс, который является единственным на территории России комплексом, работающим в режиме непрерывного круглосуточного мониторинга уровня волновых движений ионосферной плазмы, и данные мониторинга нестационарной ионосферы могут быть оперативно использованы и используются для диагностики и контроля состояния верхней атмосферы, ионосферы, ионосферных каналов распространения КВ-радноволп, вариаций уровня электромагнитного фона КВ-диапазона в окружающей среде.
Выявленные эмпирические закономерности модификации области F ионосферы мощными импульсными источниками воли в нейтральном газе, база экспериментальных данных, полученная на измерительно-вычислительном комплексе, равно как и сам комплекс, радиофизическая модель отклика сигнала наклонного КВ-зонднрования и ре-
зультаты численных экспериментов могут использоваться и используются при подготовке кадров высшей квалификации, специализирующихся в области охраны окружающей среды, физики верхней атмосферы п ионосферы, дистанционных методов зондирования.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XII, XV, XVI, XVII, XVIII, Всес. (Всеросс.) копф. по распространению радиоволн (Томск, 1978г., Алма-Ата, 1987г. Харьков, 1990г., "Ульяновск, 1993г., С.-Петербург, 1996г.), VII Всес. симп. по дифракции и распространению волн (Ростов-па-Доиу, 1977г.), IV межвед. сем. по моделированию ионосферы (Томск, 1978г.), Весе, паучно-практич. копф. по теории и практике применения метода некогерентного рассеяния радиоволн (Харьков, 1983г.), межвед. конф. по применению ЭВМ в исследованиях физических процессов в атмосфере и ионосфере (Новосибирск, 1987г.), Всес. сем. по распространению радиоволн в ионосфере (Звенигород, 1989г.), V Симп. КАПГ по солнечно-земной физике (Душанбе, 1989г.), Всес. симп. по ионосфере н взаимодействию декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой (Звенигород, 1989г.), научн.-прак. конф. по распространению и дифракции электромагнитных волн в неоднородных средах (Смоленск, 1992г., Вологда, 1994г.), 39, 42, 46, 48 Всес. научн. сессиях, посвященных Дню Радио (Москва, 1984г., 1987г., 1991г., 1993г.), Суздальских симп. URSI (Суздаль, 1986г., 1991г.), Всес. сов. по волновым возмущениям в ионосфере (Алма-Ата, 1981г., Батуми, 1982г., Алма-Ата, 1983г. 1985г., 1987г.), Всес. сем. по неоднородной структуре ионосферы (Якутск, 1991г.), Всеросс. паучпо-техн. конф. по проблемам военной геофизики и контроля состояния природной среды (С.-Петербург, 1992г.), XII межд. симп. по электромагнитной совместимости ЕМС (Вроцлав, 1994г.), Всеросс. паучно-практ. конф. "Конверсия вузов - защите окружающей среды" (Екатеринбург, 1994г.), межд. конф. по физике солнечно-земных связей (Алма-Ата, 1994г.), межд. конф. по распространению электромагнитных воли (Москва, 1995г.), II, III межд. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 1995г., 1997г.), Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1995г., 1997г.), межд. копф. по фундаментальным и прикладным проблемам охраны окружающей среды (Томск, 1995г.), межд. симп. по мониторингу окружающей среды н проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), межд. симп. PIERS (Иннсбрук, 1990г.), 10 копф. Европейского физического общества (Севилья, 1996г.), 8 научной ассамблеи IAGA (Уппса-ла, 1997г.), Всеросс. научи, конф. по физическим проблемам экологии (Физическая экология) (Москва, 1997г.), Всеросс. научпо-техн. конф.
Экология-97 (С.-Петербург, 1997г.), а также на совещаниях и семинарах ряда научных учреждений (ИЗМИР РАН, ИФЗ РАН, ИОА, ИСЗФ СО РАН, НИРФИ, МФТИ, НИИФ, ИПГ, ДАНИИ, ИИ НАН Казахстана и др.).
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 68 работах, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Вывод о принадлежности наиболее ранних возмущений от ракет в спектре сигнала к акустической ветви колебаний и их связи с ударной волной в спутном потоке получен совместно с В.Т.'Сарычевым и В.Г.Спицыным. Реализация приемно-измерителыго комплекса наклонного зондирования проведена совместно с Б.Б.Борисовым, В.Ф.Киселевым, Е.И.Петрушиным, 10.Е.Таращу ком. Набор экспериментального материала проводился вместе с В.Б.Борисовым, В.Ф.Киселевым, Е.И.Петрушиным, Ю.Е.Таращукои, Б.Б.Цыбнковым. Начальный этап обработки послепролетных возмущений на ионограммах проведен совместно с Ю.Е.Таращукои п Н.И.Тимченко. Моделирование отклика сигнала во время взрывов и естественных нестационарных процессов проведено В.В.Жебсаином и Б.Б.Цыбнковым под руководством автора.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 65 рисунков, 16 таблиц и списка литературы из 354 наименований. Общий объем - 365 страниц.
Автор благодарен руководству отдела геофизики и экологии, отдела радиофизики СФТИ, кафедры космической физики и экологии, кафедры радиофизики ТГУ, сотрудникам этих подразделений за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы. Автор так же весьма признателен сотрудникам кафедры ФМПВГІ МФТИ за методические консультации, сотрудникам ЛНПО "Вектор" за помощь, оказанную в процессе установки комплекса наклонного доплеровского зондирования, и сотрудникам АИС г.Караганды за представленные нонограммы.