Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия актуальными являются исследования реакции околоземной космической плазмы на воздействие мощных источников различной физической природы, имеющих как естественный, так и искусственный характер. Изучение последних представляет особый интерес в связи с возможностью целенаправленного воздействия на отдельные области околоземной среды, управления параметрами воздействия, а также возможностью прогнозирования экологических последствий деятельности человеческой цивилизации. Оказывается, что воздействие ряда источников может приводить к генерации локализованных (размер L < 100 км), крупномасштабных (L - 100 - 1000 км) и глобальных (L > 1000 км), возмущений. В числе источников возмущений не последнее место по энергетике воздействия занимает радиоизлучение мощных специализированных и неспециализированных систем различного назначения, а также излучение мощных линий электропередач. Исследованию взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой посвящено большое количество работ. В них изучаются эффекты, возникающие в пределах непосредственно облучаемой области. В то же время принципиальное значение имеет возможность возникновения крупномасштабных и глобальных возмущений, стимулированных мощным радиоизлучением. В связи с этим их исследование имеет большое общенаучное и прикладное значение.
Большинство исследований возмущений различной природы были выполнены, в основном, для Е и F областей ионосферы, частично для внешней ионосферы (выше максимума ионизации слоя F2) и магнитосферы. Процессы, протекающие при этом в нижней ионосфере, изучены в настоящее время недостаточно, хотя они могут предоставить уникальную информацию о механизмах ионо-сферно - магнитосферных связей, основанных на взаимодействии волна - частица, и, как следствие, о состоянии радиационных поясов Земли. Для исследования этой области ионосферы (z * 60 - 100 км) одним из наиболее эффективных является метод частичных отражений, основанный на рассеянии слабыми естественными не-однородностями концентрации плазмы радиоволн гекто- и дека-метрового диапазонов длин волн (f ~ 2 - б МГц). С учетом крупномасштабного характера возникающих возмущений желательно наличие разнесенных либо подвижных пунктов дистанционного радиозондирования. Указанным требованиям в значительной мере удовлетворяют созданные в ХГУ комплексы для исследования нижней ионосферы, включающие в себя стационарную и подвижную установки метода частичных отражений. Также возможно использование данных, полученных на аналогичных установках в
других странах СНГ и за рубежом. Этим и определяется актуальность данной работы.
Целью работы является:
исследование пространственно - временных параметров локализованных и крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, возникающих в результате воздействия на нее мощного радиоизлучения на основе анализа вариаций статистических характеристик радиосигналов, частично отраженных или рассеянных на ее неоднородностях;
построение эмпирической модели вариаций основных статистических характеристик частично-отраженных в нижней ионосфере радиосигналов при возникновении возмущений;
изучение поведения профиля электронной концентрации D-области во время возмущений;
- разработка элементов теоретической модели явления.
Методы исследования.
В работе использовались экспериментальный и теоретический методы исследования, а также метод численного моделирования.
Экспериментальное исследование крупномасштабных возму
щений в нижней ионосфере базировалось на использовании пере
движной и стационарной установок метода частичных отражений,
разработанных и изготовленных на кафедре космической радио
физики Харьковского государственного университета, а также
аналогичной установки, принадлежащей Научно-
исследовательскому радиофизическому институту (г. Нижний Новгород). При обработке экспериментальных результатов применялись известные подходы математической статистики и статистической радиофизики. Восстановление профилей электронной концентрации производилось по методике дифференциального поглощения с использованием современного устойчивого алгоритма регуляризации обратной задачи. Элементы теоретической модели основывались на результатах численного моделирования электродинамических процессов в магнитосферной плазме и, в частности, движения частиц в неоднородных магнитном и квазипостоянном электрическом полях.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1) впервые изучены основные пространственно - временные пара
метры вариаций статистических характеристик частично отра
женных сигналов (средних интенсивностей нормальных компонент,
их дисперсий, интервалов автокорреляции и коэффициента взаим
ной корреляции), обусловленные явлением генерации крупномас
штабных возмущений в ионосфере в результате воздействия мощ
ного радиоизлучения;
2) впервые использован при получении профилей электронной
концентрации в методике дифференциального поглощения алго-
ритм регуляризации, позволяющий уменьшить их реальную погрешность и улучшить качество решения, обоснована целесообразность его применения для систематического мониторинга нижней ионосферы методом частичных отражений;
-
впервые получены регуляризированные профили электронной концентрации D - области в возмущеннных условиях, свидетельствующие об увеличении ее уровня до 100% и более продолжительностью порядка 5-10 мин в диапазоне высот 70-90 км;
-
предложены элементы теоретической модели явления, качественно объясняющей наблюдаемые в нижней ионосфере возмущения.
Научная и практическая значимость. Полученные в диссертации результаты позволили приблизиться к пониманию сложного комплекса процессов, имеющих место при мощном локальЕюм энерговыделении в ионосфере за счет взаимодействия различных областей околоземной космической плазмы. Построенная эмпирическая модель вариаций статистических характеристик частично отраженных в нижней ионосфере радиосигналов позволяет практически оценить влияние возмущений в нижней ионосфере на каналы радиолокации и радионавигации, а также использовать их для радиосвязи, основанной на рассеянии радиоволн искусственными образованиями. Элементы разработанной теоретической модели явления полезны для уточнения модели околоземной среды и процессов взаимодействия ее областей, а разработанная программа регуляризации обратной задачи в методе частичных отражений поможет улучшить достоверность и оперативность мониторинга параметров нижней ионосферы, сделать более надежными на этой основе прогнозы условий распространения радиоволн.
Использование и внедрение. Результаты диссертационной работы являются составной частью работ, выполненных на кафедре космической радиофизики Харьковского госуниверситета в рамках ее научного направления. Полученные результаты вошли в 14 отчетов по НИР, выполненных кафедрой космической радиофизики ХГУ в 1985 - 1995 гг., и используются заказчиками соответствующих работ. Часть результатов внедрена в ИФЗ РАН, ИПГ Роскомгидромета, НМРФИ, СКБ "Стенд", а также в учебном процессе на радиофизическом факультете ХГУ.
На зашиту выносятся следующие положения работы.
1. Элементы эмпирической модели вариаций статистических характеристик частично отраженных радиосигналов и радиошума, вызванных крупномасштабными ( -100-1000 км) возмущениями в ионосфере: величина, продолжительность, время запаздывания, диапазон высот в зависимости от месторасположения нагревного стенда, параметров возмущающего радиоизлучения и времени суток, а также гелиогеомагнитной обстановки.
2. Эффект усиления в 1,5 - 2 раза (на 1-4 нТл) амплитуды
флуктуации горизонтальных компонент геомагнитного поля в диа
пазоне частот 1,4 - 270 мГц, сопровождающий возникновение
крупномасштабных возмущений в ионосфере.
-
Компьютерная программа для восстановления профилей электронной концентрации D - области ионосферы, использующая алгоритм регуляризации и позволяющая в 3 - 5 раз уменьшить погрешность решения, а также расширить высотный диапазон применимости методики по крайней мере снизу.
-
Эффект кратковременного (около 5-10 мин) увеличения электронной концентрации в 1,5 - 2 и более раз в слое с вертикальным размером не менее 10 км в области высот 70-90 км, сопровождающий крупномасштабные возмущения.
5. Элементы физической модели явления, объясняющей
основные экспериментальные факты, где ключевым моментом яв
ляется взаимодействие энергичных частиц радиационного пояса с
квазистационарным электрическим полем поляризации ионосфер
ной неоднородности.
Публикации. Диссертант является автором или соавтором 25 печатных работ, из них 22 - по теме диссертации.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты были представлены в виде докладов на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
X, XI научных конференциях молодых ученых и специалистов МФТИ, Москва, 1985 г., 1986 г.;
II Всесоюзном симпозиуме по результатам исследования средней атмосферы, Москва, 1986 г.;
I Всесоюзной школе-семинаре "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Туапсе, 1987 г.;
Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере", Калининград, 1989 г.;
Всесоюзном симпозиуме " Ионосфера и взаимодействие дека-метровых радиоволн с ионосферной плазмой", Москва, 1989 г.;
Всесоюзном совещании по специальным вопросам физики ионосферы и распространения радиоволн, Нижний Новгород, 1986г., 1989 г.;
Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, 15-я Алма-Ата, 1987 г.; 16-я , Харьков, 1990 г.; 17-я , Ульяновск, 1993 г.;
Всесоюзном семинаре "Современные методы аттестации методик выполнения измерений", Харьков, 1990 г.;
Всесоюзном межведомственном научном совещании "Исследование крупномасштабных и глобальных возмущений в ионосфере, вызванных локальным воздействием", Харьков, 1990 г.;
Ill международном Суздальском симпозиуме УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами, Суздаль, 1991 г.;
отраслевых научно-технических конференциях по прикладным проблемам распространения радиоволн, Москва, 1986 г., 1989 г.;
Ill, IY научно-технических конференциях "Метрология в дально-метрии", Харьков, 1989г., 1992 г.;
международной конференции "Физика в Украине", Киев, 1993 г.;
международном семинаре "Физика космической плазмы", Киев, 1993 г.;
международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов", Троицк, 1995 г.
Всеукраинском научном совете НАН Украины по физике ионосферы, Харьков, 1996 г.;
XXI Генеральной ассамблее европейского геофизичесского общества, Гаага, 1996 г..
Личный вклад. Автор диссертации принял участие в разработке методик измерения, в проведении экспериментов и обработке данных наблюдений, произвел анализ большого массива информации, выполнил вычисления на ЭВМ и истолковал полученные результаты. Разработал компьютерную программу, реализующую алгоритм регуляризации данных по Тихонову в обратной задаче метода частичных отражений. Предложил механизм питч-угловой диффузии энергичных частиц на области неоднородного квазипостоянного электрического поля.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка цитируемой литературы (75 наименований) и Приложения. Она содержит 119 страниц печатного текста, 6 таблиц и 50 рисунков.
