Введение к работе
Актуальность задач исследований
Ионосфера Земли является наиболее доступной для экспериментальных исследований областью, содержащей магнитоактив-ную плазму с открытыми границами, которая подвержена воздействию со стороны солнечного ветра, магнитосферы и нейтральной атмосферы Ее неоднородная структура может служить достаточно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, оказывающих существенное влияние на состояние окружающей нас среды, и может быть использована для их диагностики Наибольший интерес здесь представляют исследования неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы, подверженной наибольшим геофизическим возмущениям, где могут развиваться сильные неоднородности электронной концентрации, оказывающие существенное влияние на условия работы KB- и УКВ-систем радиосвязи и спутниковой радионавигации
На протяжении нескольких последних десятилетий в нашей стране и за рубежом активно развивается научное направление, связанное с исследованием нелинейных эффектов при взаимодействии мощного КВ-радиоизлучения с ионосферой Возбуждение искусственной ионосферной турбулентности, приводящей к развитию неоднородностей, обладающих широким пространственным спектром, позволило исследовать ряд физических процессов, определяющих динамику магнитоактивнои плазмы, одним из которых является диффузия флуктуации электронной концентрации
Среди задач, объединяющих исследования естественной неоднородной структуры и искусственной ионосферной турбулентности, можно выделить проблемы анизотропии пространственного спектра флуктуации электронной концентрации и диффузии неоднородностей в верхней ионосфере Параметр, характеризующий «степень вытянутости» флуктуации в направлении магнитного поля, является определяющим при оценке значений инкрементов основных низкочастотных неустойчивостей, которые могут приводить к развитию неоднородностей электронной концентрации, в частности обобщенной градиентно-дрейфовой, токово-конвективной и других Униполярная диффузия, вызывающая релаксацию квазинейтральных флуктуации электронной концентра-
ции в верхней ионосфере, сильно возрастает при увеличении их степени вытянутости, что приводит к резкому увеличению порогов этих неустойчивостей Поэтому для решения вопроса об эффективности различных механизмов неустойчивости в естественной ионосферной плазме принципиально важными оказываются экспериментальные данные о форме трехмерного спектра флуктуации электронной концентрации.
При исследовании релаксации искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой в верхней ионосфере мощным коротковолновым радиоизлучением, было установлено, что диффузия сильно вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неоднородностей близка к амбиполярной и происходит существенно медленнее, чем следует из теории униполярной диффузии. Одна из возможностей дать объяснение существующим противоречиям между результатами теории и эксперимента связана с поиском механизмов генерации квазистатических электрических полей, имеющих индукционное происхождение и способных поддерживать флуктуации плотности плазмы
Метод радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ является достаточно доступным и информативным способом получения экспериментальных данных о неоднородной структуре верхней ионосферы С его помощью был разработан ряд эмпирических моделей, описывающих вероятность возникновения и интенсивность естественных неоднородностей в зависимости от географического положения, сезона, времени суток, геомагнитной и солнечной активности
Диссертационная работа посвящена исследованию методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ спектральных характеристик и анизотропных свойств естественных неоднородностей высокоширотной ионосферы и искусственных, возбуждаемых на средних широтах мощными нагревными КВ-стендами Полученные экспериментальные данные использованы для разработки модели трехмерного пространственного спектра В диссертации предложены новые механизмы образования неоднородной структуры верхней ионосферы, связанные с генерацией квазистатической турбулентности, источником которой служат вихревые токи, определяющие условия равновесия возмущений плотности плазмы в магнитном поле, и возбуждаемые ими индукционные электрические
поля. Полученные результаты использованы при интерпретации накопленных к настоящему времени экспериментальных данных о неоднородной структуре высокоширотной верхней ионосферы и искусственной ионосферной турбулентности
Цель работы
Экспериментальные исследования методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ спектральных характеристик естественных не-однородностей высокоширотной верхней ионосферы и искусственных неоднородностей, возбуждаемых на средних широтах мощными нагревными КВ-стендами Разработка на базе полученных экспериментальных данных модели трехмерного пространственного спектра флуктуации электронной концентрации верхней ионосферы при естественных и искусственных возмущениях
Исследование диффузии искусственных неоднородностей, включая разработку в приближении двухжидкостной магнитной гидродинамики (МГД) механизма генерации вращающихся возмущений плотности плазмы - дрейфовых МГД-волн, позволяющего дать объяснение наблюдаемым в эксперименте режиму амбипо-лярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и широкополосному уширению доплеровских спектров сигналов ракурсного KB- и УКВ-рассеяния от области искусственной ионосферной турбулентности
Выяснение роли известной в литературе обобщенной градиент-но-дрейфовой и предложенной в диссертационной работе градиент-но-токоТвой неустойчивостей при формировании в области главного ионосферного провала электронной концентрации локальных структур, содержащих интенсивные мелкомасштабные неоднородности.
Положения, выносимые на защиту
Метод и результаты измерений внутреннего масштаба в направлении геомагнитного поля пространственного спектра флуктуации электронной концентрации на авроральных и полярных широтах
Результаты исследований на широтах главного ионосферного провала условий формирования локальных областей, содержащих интенсивные неоднородности километровых масштабов и параметров анизотропии их спектра, модель двухкомпонентного степенного спектра естественных неоднородностей авроральной верхней ионосферы
Результаты измерений методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ формы пространственного спектра искусственной ионосферной турбулентности в диапазоне поперечных к магнитному полю масштабов от десятков километров до нескольких десятков метров, определение характерных масштабов, на которых происходит изменение показателя степенного спектра в направлении геомагнитного поля и в ортогональной ему плоскости
Результаты исследований диффузии искусственных неоднород-ностей, позволившие экспериментально доказать, что при релаксации мелкомасштабных искусственных неоднородностей, сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля, реализуется режим амбипо-лярной диффузии
Теоретически найденное решение системы уравнений, описывающих магнитоактивную плазму, - дрейфовые МГД-волны Интерпретация на его основе амбиполярного режима диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей, эффекта ушире-ния доплеровских спектров сигналов ракурсного KB- и УКВ-рассеяния от области искусственной турбулентности
Градиентно-токовый механизм генерации неоднородностей, позволивший дать объяснение возникновению в авроральной верхней ионосфере плоскослоистых флуктуации электронной концентрации
Научная новизна и практическое значение
При проведении исследований неоднородной структуры высокоширотной ионосферы методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ автором собран обширный экспериментальный материал, который позволил установить особенности анизотропии формы трехмерного спектра флуктуации электронной концентрации в широком диапазоне масштабов На его основе разработана модель, учитывающая изменение анизотропии пространственного спектра флуктуации плотности плазмы в направлении магнитного поля и в ортогональной ему плоскости Проведены экспериментальные исследования по определению формы спектра, процессов развития и релаксации искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным КВ-радиоизлучением.
Автором диссертации предложен новый подход к проблеме образования неоднородной структуры верхней ионосферы, основанный на учете индукционных электрических полей, возбуждае-
мых в магнитоактивной плазме квазистатическими вихревыми токами В приближении двухжидкостной МГД получено решение, описывающее вращающиеся в магнитном поле возмущения плотности плазмы, на основе которого предложена интерпретация наблюдаемого в эксперименте режима амбиполярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и эффекта частотного уширения доплеровских спектров сигналов ракурсного KB- и УКВ-рассеяния от области искусственных неоднородностей Полученные в диссертационной работе экспериментальные результаты о спектральных характеристиках неоднородной структуры верхней ионосферы при естественных и искусственных возмущениях, а также разработанные теоретические модели открывают принципиально новые возможности для изучения механизмов образования неоднородной структуры верхней ионосферы
Достоверность полученных результатов обусловлена
- использованием метода радиопросвечивания ионосферы
сигналами ИСЗ, зарекомендовавшего себя как достаточно эффек
тивный и теоретически обоснованный способ получения инфор
мации об электронном содержании и флуктуациях плазмы на вы
соте F-слоя ионосферы,
- использованием современных средств и способов статистиче
ской обработки данных,
- сопоставлением результатов проведенных исследований с
существующими и предложенными в диссертации теоретическими
моделями
Публикации и апробация результатов
По теме диссертации опубликована 21 статья в журналах, входящих в список рекомендованных ВАК (Изв вузов. Радиофизика, Геомагнетизм и аэрономия, Physics Letters А), 4 статьи в широко известных зарубежных реферируемых журналах (Planetary and Space Science, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Radio Science), более 20 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всесоюзных (российских) и международных конференций, совещаний и школ, препринтах НИРФИ
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных и Международных совещаниях по неоднородной структуре
ионосферы (Ашхабад, 1979, Норильск, 1980; Мурманск, 1984; Калуга, 1989; Н Новгород, 1991, Lyon, Colorado, 1994), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981, Н Новгород, 2002), на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1991, Uppsala, 1994, Москва, 1998, 2004), на совещании рабочей группы по взаимодействию радиоволн с ионосферой (Santa Fe, 2004), на научной ассамблее COSPAR (France, Pans, 2004), на Международных летних школах по физике космической плазмы (Н.Новгород, 1993, 1995, 1997), а также на научных семинарах НИРФИ, ПГИ КНЦ РАН, ИПФ РАН
Личный вклад
Автор диссертации на протяжении научной работы в НИРФИ занимался исследованием неоднородной структуры ионосферы методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ, спектральной и корреляционной обработкой данных В основные результаты диссертации по указанной тематике вошли только те, вклад автора в которые был определяющим на всех этапах, включая постановку экспериментов, проведение измерений, обработку и анализ данных, подготовку публикаций Результаты экспериментальных исследований неоднородной структуры ионосферы, полученные другими методами (ракурсное рассеяние радиоволн, радиотомография), в том числе в соавторстве с диссертантом, используются в диссертации для построения более полной картины неоднородной структуры ионосферы и для обоснования предложенных теоретических моделей Автор являлся научным руководителем гранта Международного научного фонда R8L000 и инициативных проектов РФФИ 96-02-18500 и 03-05-64636, выполнявшихся совместно НИРФИ и ПГИ КНЦ РАН (г. Мурманск)
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 297 страниц текста, включая 74 рисунка и список литературы из 211 названий.
