Введение к работе
Волновая диагностика является одним из наиболее мощных средств получения информации о свойствах плазмы как в лабораторных условиях, так и в космосе. Это связано в первую очередь со свойствами плазмы как физического объекта, представляющего собой многопараметрическую резонансную систему, с которой могут взаимодействовать электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Наряду с традиционными радиофизическими методами исследования ионосферы, такими как вертикальное зондирование, происходит интенсивное развитие сложных радиофизических установок, таких как радары некогерентного рассеяния, нагревные стенды, KB радары и др. При бсєм совершенстве техники, используемой на земле, ей недоступны измерения собственных колебаний плазмы, различных типов плазменных волн, возбуждаемых в ионосфере Земли. Возникает необходимость измерений Гп situ , т.е. непосредственно в самой среде с борта геофизических ракет и искусственных спутников Земли. Измерения собственных излучений космической плазмы при ятем не исключают и традиционных методов исследований с борта ИСЗ, например, вертикального зондирования. Таким образом, Еолновые излучения в ионосфере одновременно являются как предметом.исследования, так и средством дл.1 диагностики ионосферной плазмы.
Актуальность проблемы. За последние годы появилось много :монографий, где достаточно подробно освещаются как вопросы исследования естественных излучений в космической плазме, так и методы волногой диагностики. Однако история этих исследований «ленилась таким образом, что из волновых методов, используемых а космических исследованиях, на первый план вышли измерения в диапазоне ОНЧ. Причшпл этого анализируются в первой главе, ".^гсь метаю отмстить только одно обстоятельство: не последнюю роль в этем сыграла позмсглюсть использовать одну и ту же ап--і-та'-Тру, пергснаталі-ію созданную для низколетящих спутников, '',v і;нес:гсапогсй!іг: аппаратах, причем на них в этот же диапа-.-'г;т пс aouojnij.;:c;r/ енпчсшпэ частот попадали утло и высокочастот-'.'!"з получения п п,?0.мсшюн терминологии. В настоящее время мы пріалн it парадоксальной ситуации, когда о высокочастотных излу-'-'-лях в магнитосфера, иенплапетпом пространстве, в атмосфере
Солнца, в окрестности планет Солнечной системы известно больше, чем о них же в иочосфере Земли г Высокочастотные измерения на высотах ионосферы проводились в ограниченном количестве экспериментов, поэтому сведения о них имеют весьма отрывочный характер. Очень мало данных о комплексных измерениях, когда одновременно измерялись бы потоки частиц, температура и другие параметры плазмы, что не позволяет однозначно интерпретировать результаты измерении.
Таким образом, актуальность проблемы связана в первую очередь с необходимостью дополнить наши знания о взаимодействиях волн и частиц во внешней ионосфере Земли в диапазонах частот, которые до настоящего времени были изучены довольно слабо, а также необходимостью выявления их роли в энергетике взаимодействия ионосфера-магнитосфера. Прежде всего необхди-мо было обратить внимание на высокочастотную часть свистового диапазона частот. До последнего времени все измерения в ионосфере проводились только до частот 20 кГц. В то же время на высотах ионосферы локальная гирочастота электронов находится в пределах 0.4 *- 1,5 МГц. Из магнитосферных измерений изрєс-тно, что довольно часто наблюдаются естественные излучения в свистовом диапазоне, максимум спектра которых находится на частоте ~0.5jHe, а электростатическое излучение электронов, в частности, надтепловой компоненты, в основном, долшо наблюдаться на частотах, превышающих 0.5 Jlu. Это определяет необходимость проведения измерений з диапазоне частот 200 кГц -е- 1,5 МГц на высотах ионосферы.
Циклотронное излучение является одним из основных механизмов диссипации энергии для неравновесных функции распределения частиц. В особенности ото относится -к излучениям в диапазоне мод Бернштейна, которые являются основным носителем вол-ноеой энергии в диапазонах, запрещенных для распространения электромагнитных волн, d частности, в диапазоне і^ні< О) < tJf при (Лие<и)р. Особенно наглядно это ыошо продемонстрировать в активных экспериментах при рассмотрении задач диссипации онергш; радиоимпульса мощного радиочастотного передатчика в указанно-; выше диапазоне частот.. .Одновременно наличие излучений в диапазоне мод Бернштейна мокет свидетельствовать о наличии потоков частиц с неравновесньпл распределенной по скоростям, а деталь-
ное исследование спектров позволит оценивать вид функции распределения. Учитывая, что на высотах инешней ионосферы плазменная частота может принимать значения от I до 10 І.Гц, то наиболее интересный диапазон для исследования излучений в диапазоне бернштейновских мод может лежать в пределах 1*5 і/іГц.
И наконец, следует упомянуть об излучениях в окрестности локальной плазменной частоты электронов и частоты верхнего гибридного резонанса. В этом диапазоне, в основном, наблюдается тепловое излучение плазмы, а также излучения, связанные с различными процессами высыпания электронов б авроральньтх областях ионосферы. Мониторинг частоты плазменного резонанса позволяет исследовать крупномасштабные структури и динамику ионосферы.на высотах орбиты спутника.
Понимание физических механизмов генерации высокочастотных излучений в ионосфере позволяет разработать ряд новых методик волновой диагностики ионосферной плазмы. Предложенный и развитый в работе новый метод диагностики ионосферной плазмы и его аппаратурная реализация необходимы для повышения оперативности и точности глобального контроля за состоянием ионосферы Зе-мли в интересах народного хозяйства. Все вышеизложенное позволяет сформулировать цель работы.
Цель работы;
-
Исследовать глобальное распределение высокочастотных шумов во внешней ионосфере Земли путем создания соответствующей аппаратуры для регистрации излучений на борту ИСЗ, создания методики и алгоритмов обработки получаемой информации, исследования механизмов генерации высокочастотных излучений в ионосфере Земли, интерпретации получаемых экспериментальных данных на основе рассмотренных теоретических моделей»
-
Выработать критерии определения естественного характера шумов путем исследования излучений, возбуждаемых в ионосфере самим корпусом спутника как проводящего зонда, погруженного в плазму, в том числе с учетом процессов движения спутника в плазме и наводимых на корпусе токов, а также процессов фотоэмиссии с поверхности спутника.
3„ Разработать новые методы высокочастотной волновой диагностики ионосферной плазмы с использованием данных как о ее- _ тественных излучениях, так и об эффектах активного воздействия.
- б -
4. Показать эффективность предлагаемых методов высокочастотной волновой диагностики околоземной плазмы, их способность повысить точность и оперативность получения данных для системы глобального контроля за состоянием ионосферы Земли, а такие возможность получения принципиально новой информации, недоступной другим методам исследования.
Научная новизна работы.Представленные в диссертации результаты экспериментальных исследований получены впервые. В работе обосновано новое направление исследования ионосферы Земли - высокочастотная волновая диагностика с борта ИСЗ методами глобального мониторинга естественных высокочастотных шумов, а также с помощью излучений, стимулированных передатчиком бортового ионозонда. Впервые исследовано глобальное распределение высокочастотных излучений в ионосфере, в частности электростатического излучения в высокочастотной части свистового диапазона и его связь с потоками фотоэлектронов. Впервые проведено систематическое исследование шумов, генерируемых при взаимодействии космического аппарата со средой. Тем самым поставлен вопрос об электромагнитной чистоте системы "спутник-ионосфера". Обнаружен эффект просачивания радиошумов "от наземных радиосредств во внешнюю ионосферу на частотах ниже критической и предложен физический механизм объяснения этого явления. Впервые успешно опробован экспериментальный метод получения глобального распределения мелкомасштабных неоднородностей во внешней ионосфере. При исследовании нелинейных волновых процессов впервые в практике измерений на ИСЗ был применен предложенный автором метод широкополосных измерений, позволивший получить ряд принципиально новых результатов по модификации околоспутниковой области мощным радиоизлучением и процессам ускорения электронов и ионов. Впервые проведены систематические исследования глобального распределения широкополосных шумов, наблюдаемых на ионограмыах внешнего зондирования, и определены зоны высыпаний энергичных частиц в авррральных областях ионосферы и оценен вид функции распределения высыпающихся частиц. ' Степень достоверности. Достоверность данных эксперимен-галышх измерений определяется тем, что величина характерных частот ионосферной плазмы, получаемая предлагаемым в работе методом, измерялась независимым способом методом внешнего зон-
дирования и получено вполне удовлетворительное согласие, поз-, воляющее обобщить данные измерений-на те области ионосферы, где данные внешнего зондирования не поддаются обработке или в те моменты времени когда зондирование не проводилось. Кроме того, в ходе эксперимента проводилась абсолютная калибровка измерительной аппаратуры непосредственно на борту спутника.
Все теоретические выводы являются-результатом последовательного решения фундаментальных уравнений-применительно к конкретным физическим условиям. Правильность выводов проверяется сопоставлением с экспериментальными результатами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Обосновано и развито новое направление исследования ионосферы Земли - высокочастотная волновая диагностика ионосферы с борта ИСЗ методами глобального мониторинга естественных высокочастотных шумов, а также излучений, стимулированных передатчиком бортового ионозонда. Осуществлена аппаратурная реализация предложенного в работе метода.
-
Получена глобальная картина распределения высокочастотных шумов во внешней ионосфере Земли в трех диапазонах частот: высокочастотной части свистового диапазона, первой гармоники моды Бернштейна, верхнегибридном диапазоне.
-
Предложена схема, позволяющая объяснить взаимосвязь различных механизмов генерации высокочастотного свистового излучения в авроральных областях ионосферы и магнитосферы.
. 4. Проведено систематическое исследование высокочастотных шумов, генерируемых в результате взаимодействия корпуса космического аппарата со средой, в том числе и излучение от возникающего при освещении спутника Солнцем фототока электронов.
5. Исследованы процессы модификации околоспутниковой области мощным радиоимпульсным излучением с борта ИСЗ и построена модель модифицированной области, объясняющая процессы резонансного ускорения электронов и ионов, нелинейного взаимодействия плазменных волн и зозбуждения плазменных резонансов различного рода.
- a -
6. Проведено сопоставление предсказанного теорией эффекта трансформации обыкновенной электромагнитной волны в медленную необыкновенную на мелкомасштабных неоднородностях электронной плотности и получено хорошее совпадение теории с экспериментом, на основе чего получено глобальное распределение мелкомасштабных неоднородностей.
?. Обнаружено просачивание шумов от наземных радиосредств во внешнюю ионосферу на частотах ниже критической, предложен механизм нелокального просветления слоя Р, объясняющий это явление.
8. Предложен и осуществлен метод определения границ высыпаний энергичных частиц в высокоширотной ионосфере по широкополосным шумам на монограммах внешнего зондирования, получено распределение шумов в различных диапазонах частот в аврораль-ной ионосфере в рльисимссти от геомагнитной широты и местного времени.
Научная и практическая значимость работы определяется значимостью выносимых на защиту положений:
предложенное и обоснованное автором направление высокочастотной диагностики ионосферной плазмы методом глобального мониторинга высокочастотных шумов позволяет повысить информативность и комплексность спутниковых экспериментов, повысить оперативность получения ионосферных параметров как в целях научных исследований, так и з прикладных целях при создании спутниковой системы глобального контроля за состоянием ионосферы Земли.
полученные данные о глобальном распределении естественных высокочастотных излучений во внешней ионосфере могут служить основой для анализа их вклада в энергетику связи магнитосфера-ионосфера-термосфера.
систематическое исследование высокочастотных шумов, генерируемых при взаимодействии корпуса КА с ионосферной плазмой позволяет решать практические задачи электромагнитной чистоты системы "спутник-ионосфера*. ,
результаты по модификации околоспутниковой области при воздействии радиоизлучения с борта ИСЗ позволяют учи-
тывать возможные последствия установки мощных радиопередатчиков на спутниках, в том числе возможность пысокочастотиого пробоя.
данные по просачиванию шумов от наземных радиосредств позволяют оценить паразитные потери энергии радиовещательных станций, практически впервые ставится вопрос об экологии ионосферы s подвергающейся непрерывному воздействию и нагреву наземными радиосредствами.
экспериментальная проверка теории трансформации обыкновенной волны з медленную необыкновенную позволила решить проблему аномального поглощения обыкновенных волн в ионосфере и использовать предложенный метод для оценки интенсивности и получения глобального распределения мелкомасштабных неоднороднос-тей, что, в свою очередь может быть использовано в прогнозах распространения радиоволн.
Полученные результаты могут быть использованы в научных учреждениях, проводящих исследования волновых процессов в космической плазме: ИНИ, ПГИ, ШШН, НИШ, ИЛГ, №3, ИРЭ и др., а также в системе Минсвязи, Минобщемаша при конструировании систем связи и космических аппаратов.
Реализация результатов. Результаты работы использовались в ИГІГ Госкомгидромета, ИКИ АН СССР, НИРшИ, РГУ, ГГУ при проведении работ по проблемам физики околоземного космического пространства к распространения радиоволн, и отражены в отчетах по выполненным в ИЗМИРАН научно-исследовательским работам "Радиофизические исследования внешней ионосферы с помощью спутниковых и наземных данных" (№ гос. per. 71.074341), "Глобальные комплексные исследования ионосферы Земли с использованием данных ИСЗ ИК-І9" (№ гос. per. 81025774), "Развитие метода вертикального и трансионосферного зондирования для исследования ионосфер Земли и планет Солнечной системы" (№ гос. per. 8I0I746I), в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссер
тации, получены автором самостоятельно, либо при его непо
средственном участии. Основное содержание работы отразгено в 36
публикациях, при этом из работ, в которых; автбр участво
вал в качестве соавтора, в диссертацию вошли только те резуль
таты, в получении которых;'" он принимал непосредственное твор-
ческое .участие на всех этапах работы: разработка и испытание бортовой аппаратуры, постановка эксперимента, обработка даяних, физическое осмысление и интерпретация результатов. Фактически большинство из печатных работ готовилось в рамках плана предложенного автором направления развития высокочастотной волновой диагностики ионосферной плазмы.
Программы визуального представления данных радиоспектрометра 11FC-I разработаны сотрудником Центра космических исследований Г1лН А.Кирагой.
Апробация работы. Материалы доказывались на 23 пленарном заседание КОСПАР (Будапешт, I960), Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Цах-кедзор, I9BI), Всесоюзной научно-технической конференции "Измерение параметров форм и спектра радиотехнических сигналов (Харьков, 1981), XX Генеральной Ассамблее УРСИ (Вашингтон, 1987.), Ш Международном семинаре социалистических стран "Научное космическое приборостроение" (Одесса, 1982), Ш Всесоюзной конференции по взаимодействию-электромагнитных излучений с плазмой (Алма-Ата, 1982), 24 пленарном заседании КОСПАР (Оттава, 1982), Всесоюзном симпозиуме "Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли" (Москва, 1983), УІ Всесоюзной школе-сешінаре по ОНЧ излучениям (Звенигород, 1983), У Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Львов, 1983), Международном симпозиуме "Активные эксперименты в космосе" (Альпбах, 1983), XXI Генеральной Ассамблее УРСИ (Флоренция, 1984), Международном симпозиуі.іе"ілодификация ионосферы мощным радиоизлучением" (Суздаль, 1986), международном семинаре "Ионосферная информатика" (Новгород, 1987), симпозиумах и семинарах КАПГ (Ашхабад, 1987; Самарканд, 1989), международном семинаре "Результаты комплексных исследований по данным измерений ИСЗ ИК-І9" (Калуга, 1988), 26 пленарном заседании КОСПАР (Хельсинки, 1988), международном семинаре по проекту ИНЕМТС (Калуга, 1989), меяугунаро-дном семинаре по проекту САНДАЙП (МакЛин, 1989), на Генеральной ассамблее МАГА (Эксетер5 1989), всесоюзном совещании по проекту ВАГО (Иссык-Куль, 1988)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем 347 страниц, из них
