Введение к работе
Актуальность проблемы.
Экспериментальные и теоретические исследования
распространения электромагнитных полей ультранизкочастотного диапазона (УНЧ) в околоземном пространстве выявили большие диагностические возможности этого диапазона для изучения параметров и процессов в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере. В диапазоне частот (0.1 - 20) Гц в формировании сигнала от источника участвуют несколько типов резонансных и волноводных систем: глобальный резонатор Земля-ионосфера [1]; ионосферный альвеновский резонатор [3, 6-8]; магнитозвуковой волновод в F2-cnoe ионосферы [3]. Каждая из выше названных структур приводит к определенному изменению спектральных и поляризационных характеристик излучений, возбуждаемых источниками электромагнитного излучения, расположенными на поверхности Земли. Характеристики принимаемого УНЧ сигнала могут содержать важную информацию о параметрах околоземных структур. Например, в спектре атмосферного магнитного шума (УНЧ сигнал естественного происхождения) на высоких, средних и низких широтах наблюдается резонансная структура спектра (РСС) [4, 5], которая формируется благодаря существованию в F-слое ионосферы ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) [3]. Параметры этой структуры зависят от профилей электронной и ионной концентрации в ионосфере на высотах 100-1000 км над точкой приема [6-8, 10]. Таким образом, резонансная структура несет информацию о локальных параметрах верхней атмосферы и их вариациях, связанных, например, с волновыми возмущениями в ионосфере, имеющими горизонтальный пространственный масштаб более 100 км. Измерение поляризации атмосферного шума также важно для разработки методов диагностики, так как на
\<
\
поляризацию влияет наклон геомагнитного поля и профиль электронной концентрации [А7, А21].
С середины 80-х годов в НИРФИ стали интенсивно проводиться исследования атмосферного шумового фона в диапазоне частот 1-5 Гц. Впервые была обнаружена резонансная структура спектра фонового магнитного шума, связанная с влиянием ионосферного альвеновского резонатора на УНЧ поля от гроз на среднеширотном приемном пункте «Новая Жизнь» [4]. В последующем совместно с учеными из Оулу (Финляндия) и Крит (Греция) РСС была обнаружена на высоких [9] и низких широтах, причем на низких широтах фоновый шум имел более сложную и изменчивую структуру [15, 16]. Свойства РСС в полярных и высоких широтах детально изучались учеными из Полярного геофизического института Кольского научного центра РАН [11, 17]. Исследовались также различные источники возбуждения ИАР [13, 14]. Кроме резонансной структуры спектра в магнитном шуме была зарегистрирована еще одна спектральная особенность. По данным мониторинга естественных электромагнитных полей в приемном пункте «Новая Жизнь» было обнаружено, что на частотах ниже 8 Гц в темное время суток регистрируется своеобразный спектральный максимум, аналогичный Шумановскому и сравнимый с ним по амплитуде [А5]. Максимум имеет характерную динамику центральной частоты, а механизм его формирования связан с наличием еще одной резонансной полости на высотах нижней ионосферы [А13, А15, А18].
Использование генерации искусственных УНЧ полей для развития методов диагностики околоземного пространства создает новые возможности для тестирования теории распространения УНЧ волн в полости земля-ионосфера и алгоритмов для решения обратной задачи по восстановлению ионосферных параметров.
Использование УНЧ сигнала с контролируемыми параметрами позволяет исследовать состояние нижней и верхней атмосферы, влияющее на принимаемый сигнал. В июле 1998 г., учеными из НИРФИ и Российского института мощного радиостроения были проведены первые успешные испытания российского геофизического УНЧ излучателя (линия электропередач 108 км длиной, токи 70-90 А), на трассе длиной 1500 км (Кольский полуостров - Н.Новгород). Получены надежные данные о возможности генерации и приема крупномасштабных УНЧ полей (отношение сигнал/шум ~ 15-20 дб в диапазоне частот 1-12 Гц) [А5]. В 2001 г. был проведен новый эксперимент с использованием Кольского излучателя [Аб, А8-А11, А16]. В этом цикле измерений было задействовано существенно большее количество приемных пунктов.
Исследуемый в диссертации круг вопросов относится к интенсивно развивающейся в настоящее время области физики околоземного космического пространства, связанной с новыми подходами к вопросам генерации и распространения УНЧ полей естественного и искусственного происхождения. В диссертации всесторонне проанализированы результаты экспериментальных исследований спектральных особенностей естественных полей на приемных пунктах разных широт, что позволило выявить особенности резонансной структуры спектра при различных наклонах магнитного поля, обнаружить новые свойства широкополосного максимума и разработать новый механизм формирования этой спектральной структуры, связанный с существованием сильных вариаций показателя преломления низкочастотных волн на высотах ионосферы 120-300 км (структура суб-ИАР). В диссертации, кроме того, исследованы особенности распространения искусственных УНЧ сигналов в диапазоне 0.6-12 Гц в волноводе Земля-
ионосфера, что позволило обнаружить влияние ионосферной структуры суб-ИАР на амплитудные спектры электромагнитных полей от контролируемого источника.
Целью диссертационной работы является исследование влияния ионосферных резонансных структур на спектры низкочастотных полей (диапазон частот 0.1-15 Гц) естественного и искусственного происхождения, а именно:
Экспериментальные исследования резонансной структуры спектра и анализ большого массива данных, полученных по измерениям магнитных компонент естественного шума на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» за период с 1985 по 1995 г.г., с целью анализа вероятности появления РСС в зависимости от уровня солнечной активности.
Проведение одновременной регистрации естественных шумовых полей в приемных пунктах, разнесенных на большие и малые (до 50 км) расстояния для выявления особенностей РСС на различных широтах и более детального исследования свойств широкополосного максимума.
Развитие численных методов в расчетах спектральных структур в фоновом шуме, позволяющих мобильно отслеживать суточные и сезонные зависимости спектров амплитуды и поляризации электромагнитных низкочастотных полей. Анализ зависимости свойств расчетной РСС от углов наклона магнитного поля Земли и направления на источник.
Разработка механизма широкополосного спектрального максимума (ШСМ), адекватно описывающего все наблюдаемые в экспериментах свойства этой спектральной структуры.
Исследование распространения искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-12 Гц от
контролируемого источника, исследование влияния различных ионосферных условий на спектры искусственных сигналов.
Научная новизна работы
Использование данных мониторинга магнитного фонового шума,
выполненного на высокочувствительной аппаратуре, позволило
получить качественно новые данные о свойствах резонансной
структуры в цикле солнечной активности.
Получены новые данные о сложном характере РСС на средних и
низких широтах и об эквидистантном характере РСС в полярных
широтах.
Впервые широкополосный максимум зарегистрирован на станциях
финской цепочки магнитометров и обнаружено влияние локальных
свойств ионосферы на параметры ШСМ.
Оригинальная методика приема низкочастотных естественных
полей в разнесенных точках с базой в 50 км и специальная
дифференциальная обработка сигналов позволили получить новые
данные о пространственном распределении полей на частотах
ШСМ.
Впервые выполнено теоретическое исследование зависимости
параметров РСС от угла наклона магнитного поля Земли и от
направления на источник.
Впервые предложен механизм ШСМ, основанный на наличии в
ионосфере на высотах 120-250 км области с сильными вариациями
показателей преломления низкочастотных электромагнитных волн.
Впервые по исследованиям распространения искусственных
сигналов в УНЧ диапазоне частот исследован характер спадания
амплитуды полей от расстояния до приемного пункта и обнаружено
влияние ионосферной структуры суб-ИАР на амплитудные спектры
сигнала.
Практическая ценность
Полученные результаты представляют интерес для разработки механизмов и моделей формирования спектров и поляризации естественного шумового фона в диапазоне частот 0.1-15 Гц, учитывающих совместное влияние отклика различных естественных резонансных систем. Обнаруженное влияние ионосферных структур ИАР и суб-ИАР на спектры фонового шума дают возможность развивать новые методы диагностики как нижней, так и верхней ионосферы, сопоставляя результаты регистрации РСС и ШСМ и численные расчеты для различных модельных профилей ионосферных параметров. Данные исследований распространения искусственных УНЧ полей могут быть использованы в диагностических целях (т.к. задействован источник с заданными параметрами), а также при планировании последующих экспериментов с искусственным излучателем при выборе приемных пунктов.
На защиту выносятся
Результаты исследований зависимости частоты появления резонансной структуры спектра (РСС) на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» от уровня солнечной активности.
Обнаружение разного характера резонансной структуры спектра на приемных пунктах разных широт: появление добавочных максимумов, наличие нескольких частотных масштабов в резонансных осцилляциях, зеркально симметричные амплитудные осцилляции в разных магнитных компонентах - на средних и низких широтах, и "правильный характер" РСС - в полярных широтах.
Результаты экспериментальных исследований широкополосного спектрального максимума в амплитудах
магнитных компонент и в поляризационном параметре фонового шума по измерениям на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» и на станциях финской цепочки магнитометров.
Результаты численных расчетов резонансной структуры спектра для модели плоского волновода Земля - анизотропная неоднородная ионосфера с использованием разных модельных профилей ионосферных параметров и обнаружение зависимости характера РСС от угла наклона магнитного поля Земли и направления на источник.
Разработка нового механизма формирования
широкополосного максимума (ШСМ) в магнитных компонентах естественных шумовых полей, связанного с существованием "долины" в показателе преломления нормальных волн в ионосферной плазме (структура суб-ИАР).
Результаты исследований спектров параметров
искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-12 Гц от контролируемого источника, расположенного на Кольском полуострове. Обнаружение разного характера амплитудно-частотных зависимостей искусственных полей в дневное и ночное время, а также разного характера спектров в периоды различной геомагнитной возмущенное. Определение характера спадания амплитуды поля в зависимости от расстояния до источника. Обнаружение влияния структуры суб-ИАР на амплитудные спектры искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-5 Гц.
Личный вклад автора
В работах А1-А5 Е. Н. Ермакова участвовала в обработке, анализе данных и последующей интерпретации экспериментальных результатов. Основной вклад в этих работах по оснащению приемного пункта высокочувствительной аппаратурой, по организации и проведению экспериментов принадлежит П. П. Беляеву. В работе А7 автором выполнялись численные расчеты спектров параметров низкочастотных полей. Интерпретация полученных результатов проводилась совместно с С. В. Поляковым.
В работах по регистрации искусственных сигналов от Кольского излучателя на финскую цепочку магнетометров автору принадлежит основной вклад по организации получения данных с финской цепочки магнетометров, в обработке данных, проведении численных расчетов полей искусственного происхождения и в интерпретации данных по влиянию состояния ионосферы на параметры сигналов [А6, А8-А11]. В работах А12-А23, А26 по исследованию резонансной структуры в фоновом шуме на средних и высоких широтах и по исследованию широкополосного максимума вклад автора является определяющим, и основные результаты по экспериментальным и теоретическим исследованиям РСС и ШСМ принадлежат ей. В работах по исследованию особенностей РСС на низких широтах автору принадлежит выполнение численных расчетов параметров РСС для разных модельных профилей и сопоставление с экспериментом [А24, А25].
Благодарности
Выражаю глубокую благодарность В. Ю. Трахтенгерцу за интерес к моей работе, постоянную поддержку и плодотворные обсуждения. Выражаю благодарность П. П. Беляеву за организацию экспериментальных исследований распространения УНЧ полей в
приемном пункте «Новая Жизнь», где были получены основные экспериментальные результаты диссертации. Выражаю благодарность сотрудникам ФГНУ НИРФИ Д. С. Котику, Б. И. Резникову, Ю. В. Шлюгаеву, А. В. Щенникову. за участие в выполнении работ, составивших основу данной диссертации: Работы, составившие основу данной диссертации, выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 94-05-16861-а, 97-02-17298-а, 01-02-16742-а, 04-02-17333-а, 07-02-01189-а), фонда Сороса, 1NTAS (грант 99—0335).
Апробация результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Н.Новгород, 2002 г.), ежегодных Апатитских семинарах по физике авроральных явлений (Апатиты, 2003, 2006, 2007,2009), на генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, 2004, Вена, Австрия, 2005), на Международном Суздальском URSI симпозиуме (Москва, 2004), на Международном семинаре "Low frequency wave processes in space plasma" (Звенигород, 2007), на Международной конференции "Problems of Geocosmos", на Международном симпозиуме по экваториальной аэрономии (Крит, Греция, 2008), а также на научных семинарах ФГНУ НИРФИ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ в реферируемых журналах, 3 работы в трудах конференций, 12 тезисов докладов, 1 препринт.
