Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика естественных источников, аппаратуры и методов исследования низкочастотных шумов 31
1.1. Геофизические особенности региона экспериментальных исследований и источники шумовых излучений 32
1.2. Классификация естественных низкочастотных шумов 43
1.3. Аппаратура для приема и регистрации уровня электромагнитного поля низкочастотных излучений 63
1.4. Методические вопросы экспериментальных исследований пространственно-временных и спектральных характеристик низкочастотных шумовых излучений 80
Выводы 92
2. Возбуждение низкочастотных волн вблизи ионосферного нижнего гибридного резонанса 94
2.1. Основные источники низкочастотных шумовых излучений во внешней ионосфере и магнитосфере 96
2.2. Потоки надтешговых частиц и их функции распределения 102
2.3. Дисперсионные соотношения и собственные частоты магнитосферной плазмы 104
2.4. Продольные (v||H) потоки частиц 108
2.5. Возбуждение НГР волн поперечными (viH )
потоками положительных ионов 114
2.5.1. Гидродинамическая область углов 115
2.5.2. Промежуточная область углов 117
2.5.3. Изотропная область углов 117
2.6. Роль ионосферного HEP волновода в возбуждении низкочастотных волн 119
Выводы 126
3. Регулярный шумовой фон 128
3.1. Спутниковые наблюдения НГР шумов во внешней ионосфере и магнитосфере 130
3.2. Суточные и сезонные вариации интенсивности регулярного шумового фона 141
3.3. Широтное распределение интенсивности регулярного шумового фона низкочастотных излучений 150
3.4. Определение положения плазмопаузы по спектральным особенностям широтного распределения РШФ 168
3.5. Проявления некоторых эффектов солнечной и геомагнитной активности в спектрах РШФ 179
3.6. О вкладе атмосфериков в интенсивность регулярного шумового фона 194
Выводы 202
4. Всплески низкочастотных шумовых излучений 209
4.1. Авроральные всплески шипений 210
4.2. Изолированные шумовые всплески 217
4.3. Всплески шумов с дрейфом максимальной интенсивности по частоте 225
4.4. Шумовые бури 234
4.5. Всплески циклотронных шумов в области плазмопаузы 244
4.6. Хоры 251 Выводы 261
5. Всплески шумов с линейчатой частотной структурой спектра 265
5.1. Основные результаты спутниковых наблюдений 266
5.2. Характеристики линейчатых излучений, связываемых с гармониками ЛЭП 271
5.3. Геофизические условия появления линейчатых излучений 279
5.4. Спектральные и статистические характеристики ВЛС 288
Выводы 305
Список литературы
- Аппаратура для приема и регистрации уровня электромагнитного поля низкочастотных излучений
- Потоки надтешговых частиц и их функции распределения
- Широтное распределение интенсивности регулярного шумового фона низкочастотных излучений
- Всплески шумов с дрейфом максимальной интенсивности по частоте
Введение к работе
Актуальность проблемы. На первом этапе исследований естественного низкочастотного радиоизлучения (в период МГГ) было установлено, что многие его дискретные и шумовые сигналы содержат обширную информацию о состоянии плазмы околоземного космического пространства, через которую они распространяются. Основные усилия исследователей были направлены на изучение тонкой структуры и динамики дискретных излучений. В частности, это было обусловлено тем, что для приема и регистрации дискретных сигналов не требовалась высокочувствительная аппаратура, а для анализа использовались готовые анализаторы спектра. С развитием прямых спутниковых методов исследований ОВД излучения в магнитосфере и во внешней ионосфере положение мало изменилось - основное внимание уделяется изучению спектральных характеристик дискретных сигналов различного происхождения, хотя непрерывные (шумовые) излучения и привлекаются для диагностики физических параметров плазмы в области измерений.
Целенаправленные систематические наземные исследования шумового ОВД излучения впервые в СССР были начаты в ИКФИА. ЯФ СО АН СССР в 1962 году. Вначале шумовое ОВД излучение связывалось только с полярными сияниями и магнитными возмущениями /I/, а затем было установлено, что это лишь один из многих классов радиоизлучения с характеристиками шумового типа. Исследования закономерностей поведения источников шумового ОВД излучения различных классов были предприняты в отдельных пунктах (разнесенных на тысячи километров), а затем на сети стационарных и экспедиционных пунктов, оснащенных идентичной приемно-регистрирующей аппаратурой, разработанной и изготов - 5 ленной в ИКФИА.
Интенсивные исследования околоземного космического пространства, выполненные в течение двух последних десятилетий с помощью наземных и спутниковых приборов, привели к значительному прогрессу в представлениях и понимании роли различных волновых явлений и коллективных взаимодействий между волнами и частицами в общей динамике магнитосферной плазмы. Постоянно существующие радиационные пояса Земли (РП), экваториальный кольцевой ток, дневной и ночной каспы, магнитосферные электрические поля и связанные с ними продольные электрические токи, существование плазмопаузы и ионосферной плазменной впадины, немонотонный высотный профиль частоты плазменного нижнего гибридного резонанса (ИГР) - все эти факторы прямо или косвенно связаны с наличием, возбуждением или усилением различных типов электромагнитных и электростатических (плазменных) волн.
В результате экспериментальных и теоретических исследований установлено, что каждый факт появления шумового ОЩ излучения значительной интенсивности - отражение как физических процессов в ионосферно-магнитосферной плазме (холодной), так и свойств вторгающихся в нее энергичных заряженных частиц /2/. В свою очередь, состояние околоземной плазмы и появление потоков заряженных частиц обусловлены характером геоэффективной деятельности Солнца.
В настоящее время хорошо известно, что энергичные заряженные частицы в магнитосферной плазме при определенных условиях могут взаимодействовать как с электромагнитными, так и с плазменными волнами (вблизи плазменных резонансов), отдавая им свою энергию и тем самым увеличивая интенсивность этих волн. В спутниковых экспериментах регулярно регистрируются одновременно оба вида излучений. Кроме того, результаты одновременных спутниковых и наземных измерений шумовых излучений дают основание считать, что электростатические волны, возбуждаемые в ионосферной и магнитосферной плазме, могут трансформироваться в электромагнитные, которые и регистрируются на Земле.
Установление этого факта явилось ключевым в понимании необходимости исследования в теоретическом и экспериментальном плане всех ветвей дисперсионного уравнения плазменных колебаний с целью обнаружения характерных частот, свойственных определенным типам неустойчивостей и проявляющихся в типовых геофизических ситуациях.
С точки зрения проблемы развития различного рода плазменных неустойчивостей и возбуждения низкочастотных волн наиболее важной характеристикой магнитосферной плазмы является наличие в ней потоков надтешговых и энергичных частиц. Такие частицы условно можно разделить по энергиям на три группы -- фотоэлектроны, авроральные электроны и электроны РП. Электроны с энергией порядка десятков электрон-вольт возникают в процессе фотоионизации нейтралов в ионосфере. Другим мощным источником пучков низкоэнергичных частиц на ионосферных высотах могут служить продольные электрические поля. Частицы с энергиями от сотен электрон-вольт до десятка килоэлектрон--вольт наблюдаются в ионосфере авроральных широт. Часть из них (с энергией в сотни электрон-вольт) связана с проникновением в ионосферу потоков плазмы солнечного ветра через дневной полярный касп. На ночной стороне низкоэнергичные частицы образуют плазменный слой хвоста магнитосферы, ускоряются в процессе движения к Земле и достигают энергий в единицы кило-электрон-вольт. И, наконец, третья группа электронов с энергией порядка или более 40 кэВ заполняет РП Земли.
Одной из наиболее важных неустойчивостей для внутренней области магнитосферы является циклотронная (ЦН), линейная теория которой рассмотрена Р.З.Сагдеевым и В.Д.Шафрановым /3/, а применительно к РП В.Ю.Трахтенгерцем /2/. Возникновение и развитие ЦН обусловлено поперечной анизотропией в распределении энергичных электронов РП по питч-углам и энергиям. Анизотропия электронов может быть вызвана наличием конуса потерь, связанного с неоднородностью геомагнитного поля, а также с действием ускорительных механизмов, приводящих к преимущественному росту средней поперечной энергии. В качестве таких механизмов могут выступать радиальный перенос энергичных частиц под действием нестационарных электрических полей /4/ и турбулентное ускорение /5/.
Такое распределение частиц РП всегда неустойчиво к возбуждению волн. Согласно теории ІЩ РП необходимым условием развития неустойчивости является наличие достаточно плотной холодной плазмы и потоков энергичных частиц. Эти условия выполняются во внешней части шгазмосферы (вблизи границы плазмопаузы) /2/. Возбуждаясь в экваториальной плоскости, низкочастотные волны будут гидироваться плазмопаузой в направлении к Земле. Следовательно, эффекты, связанные с ЦН РП, в наземных условиях наиболее четко должны проявляться в областях, примыкающих к проекции плазмопаузы со стороны авроральных и экваториальных широт.
В возбуждении волн КНЧ-ОНЧ диапазона эффективно участвует еще один из наиболее важных механизмов, связанный с возбуж - 8 дением плазменного НГР /6/. Низкочастотные шумы вблизи НГР регулярно присутствуют во внешней ионосфере (на высотах 3000 км) и в экваториальном сечении магнитосферы. На спутниках эти шумы, в основном, принимаются на электрическую антенну. На низких частотах, которые нас интересуют, плазменные волны являются непрерывным продолжением ветви свистящих атмосфериков в область больших показателей преломления. Это обстоятельство существенно для возможности выхода излучения из области возбуждения к земной поверхности и трансформации его в поперечные (Ж волны.
Наиболее благоприятные условия для возбуждения волн вблизи плазменного НГР обеспечиваются за пределами плазмосфе-ры, где плазменная частота электронов меньше их гирочастоты. Это же условие важно и для существования во внешней ионосфере НГР волновода, в котором захваченные ОШ волны многократно усиливаются, оставаясь в области взаимодействия с потоком низкоэнергичных заряженных частиц до выхода к земной поверхности на горизонтальных градиентах ионизации.
В развитии современных представлений о геофизических явлениях в ионосферной и магнитосферной плазме все большую роль играет изучение поля низкочастотных электромагнитных волн, регистрируемых на земной поверхности /7/. Основные задачи, которые при этом решаются, сводятся к изучению механизмов излучения и к диагностике источников и среды, т.е. к изучению законов распространения волн в многокомпонентной магнитоак-тивной плазме и в приземном волноводе.
В случае дискретных низкочастотных излучений временной масштаб изменений спектра сигналов меняется от долей секунды до единиц и, реже -десятков секунд. Характер этих изменений определяется как типом источника генерации, так и свойствами магнитосфернои плазмы на трассе распространения волн. Сравнительно малое время существования единичных дискретных сигналов и значительная интенсивность над поглощающей областью ионосферы создают благоприятные возможности для их приема в наземных условиях и исследования.
Характерные временные масштабы существования шумовых сигналов занимают интервалы от секунд до десятков минут и единиц часов, динамический диапазон амплитудных изменений -- более 60 дБ, а ширина спектра отдельных классов шумов - от сотен герц до единиц и десятка килогерц. В пределах этих значений меняются и спектральные характеристики шумов от отдельных источников.
Наземный спектр шумовых излучений подвержен частотноза-висимому влиянию среды при их распространении в магнитосфере (захват в магнитосферные дакты и распространение в них, взаимодействие волн и частиц), во внешней ионосфере (рефракция, фильтрация и усиление в НГР волноводе), в нижней ионосфере (отражение и поглощение) и в приземном волноводе. Относительная мера влияния каждого из этих факторов на спектр шумов зависит от времени суток, сезона, уровня ионосферно-магнитной и магнитосфернои возмущенности и положения приемного пункта по отношению к характерным ионосферно-магнитосферным границам.
В результате наземный спектр радиошумов содержит информацию о характеристиках источника и об условиях на всей трассе распространения волн. При этом определяющее влияние на спектр шумов какого яибо из перечисленных выше факторов зависит от пространственного положения источника излучения. Динамика спектра при непрерывной регистрации в любом заданном временном масштабе характеризует специфику всего процесса развития явления, соответствущего конкретному типу шумового излучения ионосферы, магнитосферы или излучениям в обеих областях одновременно. В последнем случае возникает необходимость разработки специальной методики анализа данных измерений или постановки специальных экспериментов. Схема формирования наземного спектра низкочастотных шумов приведена на рис.В.1.
Экспериментальные наземные исследования шумовых излучений еще не получили достаточно широкого распространения в СССР в связи с трудностями выполнения измерений на большом удалении от источников индустриальных помех при использовании аппаратуры с высокой чувствительностью. С одной стороны, именно в этом смысле Северо-Восток выгодно отличается от европейской части СССР. С другой - сугубо геофизическими факторами здесь обусловлена высокая активность источников низкочастотных радиошумов, способствующая получению большого объема информации о комплексе ионосферно-магнитосферных явлений.
Актуальность исследований низкочастотных электромагнитных излучений не исчерпывается только проблемами физики солнечно-земных связей, неоднородной околоземной плазмы и распространения радиоволн. Пространственно-временное распределение и интенсивность различных источников радиошумов в низкочастотном диапазоне в существенной мере определяют условия функционирования радиотехнических систем различного назначения, а именно этот участок радиоспектра является идеальным для размещения радионавигационных систем дальнего действия, служб частот и времени.
Аппаратура для приема и регистрации уровня электромагнитного поля низкочастотных излучений
Магнитные антенны для приема сигналов в ОВД диапазоне применялись в наших экспериментах с 1962 года /21/. При расчете и конструировании антенн за основу были приняты индукционные датчики для магнитотеллурических исследований в диапазоне частот от единиц до сотен герц /22/. В качестве сердечников для антенных катушек использовался пакет пластин длиной 100 - 200 см из пермаллоя или трансформаторной стали с высокой магнитной проницаемостью. Применение магнитных антенн на первом этапе наших исследований оказалось весьма эффективным при многоканальной регистрации 0НЧ шумов на диаграммную ленту в экспедиционных пунктах высоких широт (б.Тик-си, о.Мостах, СП-І5, Батагай) и при патрульной регистрации шумов на частоте II кГц на сети пунктов Северо-Востока СССР и на Антарктической станции Восток.
Применение магнитных антенн, обладающих выраженными резонансными свойствами, вызвало определенные затруднения при решении задач анализа тонкой структуры широкополосных магнитофонных записей КВД-ОНЧ шумовых сигналов из-за необходимости введения в тракт предварительного усиления сложной коррекции неравномерной частотной характеристики. Поэтому с 1969 г. в стационарных пунктах наблюдений, а затем и экспедиционных наряду с магнитными использовались рамочные антенны, имеющие в рабочем диапазоне практически линейную зависимость действующей высоты от частоты.
С 1970 года на сети пунктов многоканальной и широкополосной регистрации КНЧ-ОНЧ шумов и на меридиональных цепочках экспедиционных пунктов используются рамки, выполненные в форме кольца диаметром 1,8 м (60 витков). Для устранения антенного эффекта предусмотрено электростатическое экранирование ее витков и симметричное соединение со входом вынесенного к антенне предварительного усилителя. Глубокий минимум в диаграмме направленности рамочной антенны используется для исследования азимутального распределения интенсивности КВД--0М шумов от различных источников. Азимутальный обзор (через 45) может производиться в автоматическом режиме по заданной программе.
Выносной антенный блок влючает в себя предварительный усилитель с согласующим входным трансформатором, эквивалент антенны с калиброванным делителем напряжения и симметрирующим трансформатором, реле коммутации "антенна - эквивалент", схему бесконтактного регулятора температуры (+32 -ІС) в термостате и стабилизатор напряжения. Особенности схемного исполнения, основные технические параметры и краткое техническое описание этого варианта многоканального КНЧ-ОНЧ регистратора, которыми в настоящее время оснащена высокоширотная цепочка пунктов наблюдения: о.Врангеля, б.Тикси, м.Югорский Шар, приведены в работе /23/.
На основе многолетнего опыта работы по модернизации и совершенствованию приемно-регистрирующих устройств, применявшихся для исследований пространственно-временных и спектральных характеристик низкочастотных радиошумов в высоких и субавроральных широтах, к 1979 г. разработан и задействован в базовом экспедиционном пункте в районе Якутска (в значительной мере универсальный) аппаратурный комплекс регистрации Н и Е компонент поля КНЧ-ОНЧ излучений /24, 25/. Пороговый уровень чувствительности комплекса близок к минимальному уровню естественных радиошумов в области критических частот волновода Земля-ионосфера. Реализация столь высокой чувствительности при минимальных значениях коэффициента шума серийно выпускаемых отечественных транзисторов и микросхем оказалась возможной благодаря исключительно низкому уровню промышленных помех на Северо-Востоке СССР. Анализ данных аналоговой широкополосной и многоканальной регистрации на магнитную и диаграммную ленту; и цифровой регистрации на магнитную и перфоленту позволяет решать широкий крут геофизических и радиофизических задач, связанных с генерацией, распространением и характеристиками различных типов электромагнитных сигналов.
Структурная схема аппаратурного комплекса приведена на рисунке I.I4. Прием сигналов осуществляется на рамочную W и штыревую W2 антенны, которые вместе с предварительным усилителем Ш с целью устранения местных наводок сети 50 Гц могут быть размещены на расстоянии до 1000 м от пункта регистрации. Широкополосные сигналы с Ш по радиочастотным кабелям поступают на блоки параллельного анализа БПА, где осуществляется их фильтрация набором узкополосных фильтров, детектирование и интегрирование. С выходом БПА минимальные уровни шумовых сигналов каждого из узкополосных каналов подаются на многоканальные самопишущие приборы Н320-5,9 с протяжкой диаграммной ленты от часового привода и через комму
Потоки надтешговых частиц и их функции распределения
В результате прямых спутниковых измерений во внешней ионосфере в высоких широтах (в полярной шапке, авроральных и субавроральных) получено, что потоки мягкоэнергичных электронов и положительных ионов наблюдаются регулярно. Появление таких потоков в магнитосфере Земли обусловлено различными ускорительными механизмами. На ионосферных высотах одним из наиболее мощных источников пучков частиц являются продольные электрические поля /49/. В этом случае типичные энергии частиц лежат в диапазоне ОД We,plO кэВ. Не менее важными источниками потоков надтепловых частиц служат дневной и ночной магнитосферные каспы и кольцевой магнитосфер-ный ток, охватывающий Землю на L (3-8)RE.
Еще одним важным источником потоков электронов с энер - 103 гией 10 We 300 эВ, действующим на всех широтах, являются процессы фотоионизации. Эффекты неустойчивости таких потоков к возбуждению ОМ волн во внешней ионосфере достаточно подробно рассмотрены нами в работах /17, 49/. Здесь отметим лишь, что фотоэлектроны, образовавшиеся на высотах К 150 - 300 км с квазиизотропной по питч-углам функцией распределения, выше области их генерации образуют хорошо выраженный пучок, направленный вдоль геомагнитного поля.
Такой пучок надтепловых электронов неустойчив к возбуждению плазменных волн в области НГР. Здесь наиболее существенным является результат (который будет использоваться далее), что продольные пучки фотоэлектронов наиболее эффективны к возбуждению НГР волн в областях с пониженной электронной концентрацией фоновой плазмы (63ре СОне). К таким областям относится, в первую очередь, главный ионосферный провал.
Для анализа эффектов возбуждения НГР волн на ионосферных высотах воспользуемся наиболее общей функцией распределения частиц пучкового типа, поскольку получение реальной функции распределения является довольно сложной задачей и представляет самостоятельный интерес. Для исследования взаимодействия НГР волн с пучками частиц, направленными вдоль или поперек магнитного поля, выберем функции распределения быстрых частиц в виде /17/: где А и ЇЇVs) /2, І\ІЛ- плотность частиц сортаoC в потоке, Vs , V0- тепловая и направленная скорости в потоке, VHH \- составляющие скорости вдоль и поперек оси 2 соответственно (ось Z направлена вдоль Н). Функция распределения нормирована так, что J f d V = N . Распределение частиц фоновой ионосферной плазмы полагаем максвелловским.
Функции распределения надтепловых электронов и положительных ионов, аналогичные (2.5) и (2.6), могут реализоваться во внешней ионосфере. Хотя здесь . выбраны несколько произвольно, они отражают наличие в потоке направленных скоростей частиц вдоль или поперек магнитного поля. Кроме того, в работе Трахтенгерца /5/ показано, что для слабых пучков ( Nr«Nx) основные эффекты взаимодействия частиц с волнами мало зависят от выбора выражения функции распределения быстрых частиц.
По этим причинам выражения (2.5) и (2.6), довольно просто отражающие пучковый тип распределения, примем за основу при анализе эффектов неустойчивостей, предполагая, однако, что происхождение пучков электронов может быть обусловлено не только эффектами фотоионизации, как было принято в работе /49/. В исследованиях различных волновых явлений, происходящих в ионосферной и магнитосферной плазме, широко используются уравнения Максвелла.
Широтное распределение интенсивности регулярного шумового фона низкочастотных излучений
Максимальное значение интенсивности РШФ за сутки меняется с сезоном и достигает наибольших значений во всем диапазоне частот летом. Время наступления максимальной интенсивности в суточном ходе РШФ смещается довольно резко от околополуночных часов зимой и весной к ранним вечерним часам летом и более плавно в осенние месяцы вновь к околополуночным часам (см.рис.3.5).
В заключение отметим, что связь вариаций спектральных характеристик РШФ в высоких широтах с состоянием аврораль-ной активности, положением авроральной зоны и с вторжениями в ионосферу низкоэнергичных электронов в области дневного полярного каспа позволили выделить подкласс РШФ - авро-ральный. Закономерности поведения РШФ в субавроральных широтах в зависимости от времени суток и сезона, полученные по данным сети пунктов наблюдения, явились основанием для вывода о существовании восходно-заходного подкласса РШФ.
Попытки объяснить спектральные особенности РШФ влиянием условий распространения шумовых сигналов (хвостов атмос-фериков) от грозовых источников в приземном волноводе /104/ не дали положительного результата, хотя в летние месяцы ближние грозы могут дать обнаружимый вклад в РШФ (единицы децибел) в КНЧ диапазоне, где работа минимального детектора менее эффективна, чем в диапазоне ОВД (см.1.3).
Суточно-сезонные вариации спектральных характеристик РШФ в различных условиях ионосферно-магнитной возмущенности, выявленные в итоге многолетних экспериментальных исследований, оказалось также невозможным объяснить только условиями распространения низкочастотных шумов из области генерации в экваториальном сечении магнитосферы (при развитии циклотронной неустойчивости РП) вдоль геомагнитных силовых линий, через поглощающую область ионосферы и в приземном волноводе без привлечения механизма возбуждения РШФ потоками низкоэнергичных электронов во внешней ионосфере в области частот НГР.
В исследованиях пространственно-временного распределения источников и интенсивности шумовых низкочастотных излучений важное место занимает изучение широтного распределения РШФ. Основные особенности поведения РШФ в зависимости от координат пунктов наблюдения и расстояния между ними были выявлены в результате анализа материалов широтных экспериментов 1968 и 1970 гг. (сентябрь - октябрь), когда проводилась непрерывная регистрация шумового поля в стационарных, экспедиционных и подвижном пунктах вдоль р.Лены от Якутска до б.Ти-кси, и комплексной высокоширотной экспедиции 1968 - 1969 гг. (декабрь - март) /40/. Уточнение полученных закономерностей широтного распределения интенсивности шумовых излучений, в том числе и РШФ, в диапазоне частот 0,4 - 10 кГц выполнено по материалам целевого эксперимента на меридиональной цепочке станций 1974 г. (январь - февраль).
В первой широтной экспедиции (1968 г.)были получены экспериментальные доказательства немонотонного спада интенсивности 0Щ шумов от авроральных широт к низким. В субаврораль-ных широтах обнаружена область с минимальной интенсивностью (относительно высокоширотного и низкоширотного максимумов). Интенсивность РШФ в ранние вечерние часы плавно или резко, в зависимости от степени геомагнитной возмущенности, возрастает от минимального дневного уровня. При этом время начала подъема по мере увеличения геомагнитной широты последовательно сдвигается на более поздние часы /38,39/. Характер этой зависимости представлен на рис.3.8. В условиях умеренной геомагнитной возмущенности (30.К и 01.X. 1968 г.) увеличение интенсивности РШФ на частоте II кГц во всем диапазоне широт сопровождается сдвигом среднеширотного максимума с L 3,5 на L 4. Относительно быстрый рост интенсивности РШФ в минимуме на L 4,5 может быть обусловлен вкладом излучений от двух источников, расположенных в средних и высоких широтах, которые, по-видимому, сближаются в это время суток.
Эксперименты на меридиональной цепочке экспедиционных и стационарных пунктов и подвижном вдоль р.Лены показали, что интенсивность РШФ на частоте II кГц в каждом из двух соседних пунктов существенно отличается, когда расстояние между ними превышает 200 - 300 км. В промежуточной области широт, по измерениям в подвижном пункте, интенсивность меняется плавно. Монотонный характер изменений интенсивности РШФ в области субавроральных широт между двумя максимумами и между соседними пунктами наблюдений учитывался при построении картин суточных изменений РШФ по данным измерений в шести пунктах меридиональной цепочки /16/.
Всплески шумов с дрейфом максимальной интенсивности по частоте
С областью плазмопаузы связывается широкий комплекс наиболее важных геофизических явлений, наблюдаемых в субавро-ральных широтах на Земле, в ионосфере и околоземном космическом пространстве, в том числе и различные виды излучений в широком диапазоне частот и энергий. Наиболее характерными признаками наличия плазмопаузы на различных геоцентрических расстояниях являются резкий градиент плотности холодной маг-нитосферной плазмы, широтный скачок в изменении концентрации легких положительных ионов и локальный рост электронной температуры.
С областью плазмопаузы связаны провал в широтном распределении ионосферной ионизации и появление слоя F2s, субавро-ральные красные дуги полярных сияний и фоновое свечение в линии 6300 А /НО/, наибольшие изменения в пространственном распределении низкоэнергичных положительных ионов и электронов магнитосферного кольцевого тока, а также наиболее резкие широтные изменения в характере и интенсивности низкочастотных электромагнитных шумов и электростатических шумов на верхнем гибридном резонансе, в частоте появления и динамических характеристиках спектра свистящих атмосфериков.
Считается, что именно спектральные характеристики свистов дают наиболее надежные сведения о динамике плазмопаузы и концентрации холодной плазмы в области экваториального сечения магнитосферы. Применительно к условиям умеренной и значительной планетарной геомагнитной возмущенности для оценки положения плазмопаузы во временном секторе полночь --утро обычно используется эмпирическая формула (3.1), предложенная Карпентером, в котором Крт - максимальное значение индекса за предыдущие 12 часов. Обратная зависимость между положением плазмопаузы в экваториальном сечении магнитосферы и Кр получена и многими другими авторами /III - 113/ по данным измерений концентрации электронов и легких ионов на спутниках.
Сравнительная картина суточных изменений экваториального положения плазмопаузы, полученная в спутниковых экспериментах и методом свистов, представлена на рис.3.16. Из рисунка можно видеть значительное расхождение в кривых суточных положений плазмопаузы, которое может быть обусловлено различием эпох наблюдений и методов измерений. Однако, все кривые, за исключением полученной на спутнике ISIS -I /114/, обнаруживают подобие суточной асимметрии. Выпуклость плазмопаузы в вечернем секторе регистрируется методом свистов и спутниками на больших высотах, а в измерениях во внешней ионосфере (высоты 3000 і 500 км) вечерняя выпуклость плазмопаузы ("сред-неширотной" - по /114/) практически не проявляется. Это, по-видимому, означает что на ионосферных высотах плазмопауза не соответствует таковой в экваториальном сечении магнитосферы.
Что касается зависимости положения плазмопаузы во внешней ионосфере от уровня геомагнитной активности, то по результатам /114/ средне широтная плазмопаузы примерно на 40$ менее чувствительна к изменениям EL, чем экваториальная, а статистическое положение ее аппроксимируется соотношением Lp = (4,47 - 0Д8Кр) ± 0.27L , Кр» 0. (3.2)
Восстановление плазмопаузы во внешней ионосфере (как и экваториальной) после значительных геомагнитных возмущений продолжается на L =3,5 - 4,3 не менее 5 дней.
В измерениях на ИСЗ ISIS—I положение плазмопаузы отчитывалось по уровню электронной концентрации Ne= Ю3 см""3 и по пиковому значению электронной температуры Те. Обнаружен значительный высотный градиент температуры (д Те порядка I0/ .км), свидетельствующий о переносе тепла вниз со скоростью Q О _Т порядка 3 10 эВ»см »с . Во время магнитных возмущений температурный пик возрастает по амплитуде и испытывает смещение по широте вместе с плазмопаузой. Авторы работы /114/ предполагают, что этот источник тепла может быть магнитосферного происхождения (в частности, кольцевой ток).
Большой высотный температурный градиент в окрестности плазмопаузы может вызвать существенное отклонение от диффузионного равновесия в распределении плазмы вдоль геомагнитных силовых линий, а следовательно, и рост градиента Ne . Этот фактор может изменить соотношение между Ne в экваториальном сечении силовой линии и NE на высоте порядка 3000 км до одного порядка (вместо 2-3 раз для закона диффузионного равновесия) и "сгладить" различия в конфигурации экваториальной и среднеширотной плазмопаузы.
Таким образом, существенное расхождение результатов определения положения плазмопаузы в экваториальном сечении магнитосферы и на ионосферных высотах имеет под собой реальную физическую основу. С точки зрения возможностей определения проекции плазмопаузы на земную поверхность по данным широтного распределения РШФ и сопоставления со спутниковыми измерениями целесообразно остановиться на некоторых результатах триангуляционной локации областей выхода из ионосферы носовых свистов.
Триангуляционные измерения были выполнены в восточной Канаде на сети из четырех гониометрических приемников с базой 400 км /115/ и 12 приемников с базой 70 км /116/. В первом эксперименте возможная ошибка измерений составляла 0,IL, во втором 0,02L. В обоих экспериментах выявлено систематическое и значительное отклонение точек возбуждения приземного волновода свистовыми волнами от проекций магнитосферных дактов, соответствующих траекториям свистов, к низким широтам. Так на L 3,6 широтное смещение составляло 0,4L, а на L 4,8 порядка 0,7 L.
Учет возможных причин этого расхождения, таких, как корректировка моделей распределения 1Ме вдоль дактов, отличие реальной напряженности геомагнитного поля от дипольной аппроксимации или влияние магнитосферного кольцевого тока не приводит к согласованию модельных расчетов с экспериментом. По мнению авторов работ /115, 116/, единственно приемлемым объяснением этого факта является то, что свистовые волны покидают магнитосферные дакты на высотах 1000 - 3000 км, а затем на горизонтальных градиентах ионизации испытывают отклонение к низким широтам. При дальнейшем распространении в приземном волноводе в летние месяцы величина затухания свистовых волн в диапазоне частот 1,5 - 3,7 кГц /116/ составляет 6 дБ на 100 км.
