Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Распространение ОНЧ-волн в магнитосфере, ионосфере, волноводе Земля-ионосфера и методы определения направления их прихода в точку на блюдения 13
1. Распространение ОНЧ-излучений в магнитосфере и ионосфере Земли 13
2. Распространение ОНЧ-сигнала в волноводе Земля-ионосфера 25
3. Методы определения направления прихода ОНЧ-волн 34
3.1. Метод Пойтинга 36
3.2. Метод, разработанный в Токийском университете.. 37
3.3. Метод определения направления прихода ОНЧ-волн Окады и др 40
3.4. Метод определения направления прихода по разности времен прихода сигнала в три пространственно разнесенные точки 42
Обсуждение результатов и выводы 45
Глава II. Метод определения угла падения ОНЧ-волны и реализующее его устройство 49
1. Вводные замечания 49
2. Определение угла падения ОНЧ-волны, выходящей из локализованной области ионосферы 52
3. Определение угла падения ОНЧ-волн, выходящих из достаточно протяженной области ионосферы 61
4. Макет аппаратуры для реализации предложенного метода 69
Глава III. Методы амплитудной калибровки 79
1. Амплитудная калибровка магнитных рамочных антенн... 79
2. Амплитудная калибровка вертикальной электрической антенны 86
3. Некоторые результаты экспериментального определения параметров используемых антенн и измерительной аппаратуры 96
Выводы 105
Глава ІV. Результаты измерений вертикальной компоненты электрического поля в диапазоне ОВД в субавроральной области 107
1. Характеристики вертикальной электрической компоненты в субавроральной зоне в диапазоне ОНЧ ..108
2. Динамика точки выхода ОНЧ-волн в субавроральных широтах для излучений типа хоров 115
3. Динамика точки выхода ОНЧ-волн в случае субавроральных шипений 130
4. Направления дальнейших исследований 142
Литература
- Распространение ОНЧ-сигнала в волноводе Земля-ионосфера
- Метод определения направления прихода ОНЧ-волн Окады и др
- Определение угла падения ОНЧ-волн, выходящих из достаточно протяженной области ионосферы
- Динамика точки выхода ОНЧ-волн в субавроральных широтах для излучений типа хоров
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач физики магнитосферы является исследование волновых процессов, проте кающих в околоземной плазме. Возбуждающиеся вследствие различных плазменных неустойчивостей волны играют важную роль в динамике физических процессов в магнитосфере Земли и широко используются в методах ее наземной диагностики.
Наиболее высокочастотный диапазон шкалы естественных электромагнитных волн составляют так называемые ОНЧ-излуче-ния (очень низкочастотные), частота которых лежит между гиро частотой ионов и гирочастотой электронов, т.е. от сотен герц до десятков килогерц. Осознание важности ОНЧ-волн для практических целей началось с классической работы Стори [iJ , посвященной свистящим атмосферикам, когда еще на заре космических исследований он сделал правильную оценку электронной концентрации на больших высотах. По особенностям спектров -ионных свистящих атмосфериков находят относительное содержание ионов и некоторые другие параметры магнитосферной плазмы.
Известно, что во время суббурь происходит интенсивная перестройка магнитосферы, связанная с вторжением потоков заряженных частиц, генерацией электрических полей, вызывающих конвекцию магнито сферной плазмы, и т.д. Такая перестройка должна отразиться на некоторых параметрах генерируемых ОНЧ-волн, а также на характере их распространения в место регистрации. Поэтому, наблюдая ОНЧ-излучения на земной поверхности и исследуя их свойства, можно получить информацию об изменении параметров магнитосферы в ходе геомагнитных возмущений.
По своему спектральному составу ОНЧ-излучения делятся на [умовые (шипения), у которых отсутствует какая либо структура, : излучения, имеющие достаточно выраженную тонкую структуру (хобі и дискретные эмиссии). Различные типы ОНЧ-излучений могут воз-уждаться в различных структурных областях магнитосферы, и, таим образом, служить источником информации о плазменных процесах, протекающих именно в этих областях.
ОНЧ-излучения, наблюдаемые на земной поверхности, до насто-щего времени слабо использовались для диагностики магнитосферой плазмы, так как при применении их в этих целях необходимо еткое представление не только об источниках этих излучений и ме-анизмах их генерации, но и более полные сведения о структуре их лектромагнитного поля вблизи поверхности Земли и способе рас-ространения от места генерации до места наблюдения.
Спутниковые измерения параметров ОНЧ-волн дают уникальную нформацию о низкочастотных волнах, реально существующих в дан-ой точке магнитосферы или ионосферы, но и там не всегда удает-я разделить влияние эффектов генерации и распространения на ре-ультаты наблюдений. При этом всем спутниковым методам наблюдения гІЧ-явлений свойственен принципиальный недостаток - вследствие вижения спутника по орбите относительно магнитных силовых линий звозможно различить временные и пространственные вариации регис-эируемых величин. Кроме этого, имеют место специфические погреш-эсти, такие как влияние параметров магнитоактивной космической тзмы на свойства регистрирующих антенн, влияние колебаний и эащения самого космического аппарата и т.д.
Одним из важнейших вопросов, возникающих при изучении ОНЧ-злений, является определение расположения области генерации ОНЧ-)лн и выявление ее динамики. Для решения этой задачи необходимо шичие нескольких одновременно работающих ИСЗ на различных вы- сотах и в различных долготных секторах магнитосферы, а также нескольких одновременно работающих геостационарных спутников, оснащенных идентичной аппаратурой. В настоящий момент времени осуществление столь сложного и дорогого проекта нереально. Оптимальным вариантом могут быть синхронные измерения на сети наземных обсерваторий, дополненные данными низковысотного и геостационарного спутников. При решении этой задачи по данным наземной регистрации необходимо, во-первых, определить область в нижней ионосфере, из которой приходит к наземному наблюдателю регистрируемая им ОНЧ-волна, во-вторых, выявить и учесть эффекты, связанные с распространением и преобразованием ОНЧ-излучения при переходе из магнитосферной и ионосферной плазмы в волновод Земля-ионосфера.
Данная работа посвящена исследованию вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений, наблюдаемых на земной поверхности. В результате анализа особенностей распространения свистовой моды ОНЧ-волн в магнитосфере, ионосфере и волноводе Земля-ионосфера автором предложен простой метод определения угла падения ОНЧ-волн, регистрируемых на земной поверхности, и показана значительная информативность проведения наблюдений вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений для решения задачи разделения влияния эффектов генерации и распространения ОНЧ-волн на результаты наземных наблюдений.
При проведении исследований перед автором стояли следующие задачи:
I. На основе анализа особенностей прохождения ОНЧ-волн через ионосферу и их распространения в приземном волноводе разработать методику зенитного угла точки выхода ОНЧ-волн из ионосферы с использованием данных регистрации вертикальной электрической компоненты (ЕЕ) поля ОНЧ-излучений-^ дополне- ниє к стандартной методике ОНЧ-наблюдений.
Разработать аппаратуру для регистрации вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений и провести наблюдение Ег на земной поверхности в субавроральных широтах, где появление всплесков хоров и шипений во время геомагнитных возмущений наиболее вероятно, а также исследовать основные закономерности вариаций амплитуды Ег во время всплесков субавроральных ОНЧ-излучений.
Разработать методику амплитудной калибровки вертикальной электрической антенны для ОНЧ-диапазона.
Исследовать зенитные углы прихода субавроральных излучений и выявить их изменения в зависимости от геомагнитной активности и их связь с интенсивностью регистрируемого ОНЧ-сигна-ла с целью изучения возможности разделения влияния эффектов генерации и изменения точки выхода ОНЧ-волн на их амплитудно-временные вариации на земной поверхности.
Данная работа явилась продолжением и развитием исследований медленных вариаций и микропульсаций вертикальной компоненты геоэлектрического поля, проводимых в лаборатории ЭМПЗ кафедры физики РИСИ при участии автора диссертации с целью установления пространственно-временной структуры Е2 » связанной с развитием магнитной активности. Разработанная в лаборатории ЭМПЗ методика наблюдений и обнаружения локальных особенностей поля Ен в диапазоне вариаций и короткопериодических пульсаций [2,3,4,5] позволили автору диссертации перейти к измерениям Ez в более высокочастотном диапазоне - ОНЧ. Результаты этих исследований изложены в данной работе, которая состоит из четырех глав.
В первой главе диссертации приводится обзор имеющихся в литературе данных об особенностях распространения ОНЧ-волн в магнитосфере, ионосфере и волноводе Земля-ионосфера и обсуждают- ся разработанные ранее методы определения направления прихода ОНЧ-волн в место наблюдения. Показано, что большинство используемых в настоящее время методов определения направления прихода ОНЧ-волн имеет избыточную точность, реализующая их аппаратура весьма дорога в изготовлении и обслуживании.
Отмечено, что на современном уровне исследований, когда отсутствует количественная модель, полностью описывающая генерацию и распространение ОНЧ-волн от точки их возбуждения до места регистрации на земной поверхности, необходимо создание такого метода определения направления прихода ОНЧ-волн, который, обладая точностью хотя бы в 10 - 0%, допускал бы возможность его применения на имеющейся сети наземных ОНЧ-наблюдений, и давал информацию, в первую очередь, об углах падения ОНЧ-волн, имеющих как узколокализованные, так и протяженные области выхода из ионосферы.
Вторая глава диссертации посвящена разработке метода определения угла падения ОНЧ-волн с использованием данных регистрации ЕЕ ОНЧ-излучения в дополнение к стандартной регистрации одной горизонтальной компоненты магнитного поля. Показано, что при использовании данных регистрации вертикальной электрической и одной из горизонтальных магнитных компонент поля ОНЧ-излученин можно получить информацию об угле падения регистрируемой ОНЧ-вол-ны с относительной ошибкой не более 25%, если угол падения не превышает 50, и не более 7%, если угол падения не больше 30. Метод позволяет определять углы падения ОНЧ-волн, приходящих в место наблюдения как из локализованной, так и из протяженной области ионосферы.
Во второй главе содержится также описание разработанного автором макета аппаратуры, реализующего предложенный метод оп- ределения угла падения. Отмечено, что относительная простота, а, следовательно, и дешевизна устройств, применяемых при реализации предложенного автором метода, позволяют использовать его на широкой сети обсерваторий и при полевых измерениях. Показано, что необходимым условием получения корректных результатов является равенство передаточных характеристик измерительных каналов электрической и магнитной составляющих поля ОНЧ-излучений; следовательно, перед автором была поставлена задача разработки методов абсолютной калибровки электрической и магнитных антенн.
В третьей главе проводится краткий критический анализ имеющихся в литературе методов абсолютной амплитудной калибровки магнитной и электрической антенн ОНЧ-диапазона. Вследствие того, что описанные методы калибровки магнитных рамочных антенн сложны для практического применения, так как требуют создания доста- > точно громоздкой системы, создающей однородное магнитное поле известной величины в окрестности измерительной антенны, автором предлагается метод калибровки, в котором при помощи витка с током, закрепленного на антенне, через плоскость последней создается переменный магнитный поток известной величины.
Отмечено, что к настоящему времени в литературе нет описания надежных методов калибровки электрических антенн ОНЧ-диапа-зона. Так, по мнению авторов \_б] , в природе нет источника ОНЧ-сигналов с известным соотношением между электрической и магнитной составляющими. Автором предложено использовать для абсолютной амплитудной калибровки электрической антенны в качестве такого источника ТЕМ - волну, возбуждаемую в волноводе Земля-ионосфера молниевыми разрядами. Приводятся некоторые результаты калибровки измерительной системы.
Четвертая глава посвящена обсуждению результатов синхронного измерения амплитуд вертикальной электрической и горизон- тальной магнитной компонент поля ОНЧ-излучений, полученных автором в п.п. Согра и Мезень в 1977-1979 г.г. Приводятся сонограммы и огибающие ряда выделенных случаев. Выявлено, что спектрально-временные и амплитудно-временные характеристики естественных ОНЧ-сигналов обнаруживают в подавляющем большинстве случаев тесную положительную корреляцию, а отношение Ez/H (Н - амплитуда одной из горизонтальных магнитных компонент поля ОНЧ-сигнала) изменяется во время развития ОНЧ-всплесков. Этот факт не противоречит представлению ОНЧ-сигнала в виде плоской однородной волны, что позволило принять эту модель в качестве первого приближения.
Выявлено, что у ОНЧ-хоров области выхода волн с различными частотами могут быть пространственно разнесены. Подсчитаны средние скорости движения области выхода для нескольких случаев. Экспериментально доказано, что источник хора может иметь малую протяженность, или, по крайней мере, распространение ОНЧ-волн от источника происходит вдоль локализованного в пространстве дакта.
Найдено, что скорость и направление движения области выхода ОНЧ-шипений совпадает с движением и развитием полярных сияний. Показано, что в случае модулированных шипений имеется связь между динамикой положения области выхода ОНЧ-волн из ионосферы и напряженностью поля геомагнитных пульсаций.
Рассмотрены возможные направления дальнейших исследований с использованием разработанных автором методов определения угла падения ОНЧ-волн и абсолютной калибровки измерительных антенн, а также разработанной автором аппаратуры. Рассмотрено использование методов в двух основных направлениях: определение структуры электромагнитного поля вблизи поверхности Земли с целью определения условий распространения ОНЧ-сигнала в точку наблюдения и дальнейшее изучение и уточнение информации о динамике точ- ки выхода с целью получения более полных и точных сведений о физических процессах, имеющих место при генерации ОНЧ-излучений, и их связи с другими геомагнитными явлениями.
В заключение приведены основные результаты диссертации.
Научная новизна работы определяется оригинальностью предлагаемого автором метода определения угла падения ОНЧ-волн в место наблюдения, разработанным и созданным макетом устройства для реализации предложенного метода, решением задачи прямой абсолютной амплитудной калибровки макета, причем задача амплитудной калибровки электрической антенны решена впервые, а также впервые полученными экспериментальными сведениями о поведении вертикальной электрической компоненты электромагнитного поля ОНЧ-излучений и связи зенитных углов прихода ОНЧ-волн с геомагнитными возмущениями и выявленной автором возможностью разделения влияния эффектов генерации и изменения координат области выхода ОНЧ-волн на их амплитудно-временные вариации, регистрируемые на земной поверхности.
Личный вклад автора в достижение целей работы состоит в следующем: разработке метода определения угла падения ОНЧ-волн на земную поверхность с использованием данных регистрации огибающих Еи Н, разработке аппаратуры для измерения Ег, разработке методики калибровки измерительного комплекса и выполнении измерений Ег в субавроральной области, обработке и анализе результатов синхронных измерений Ег и Н -компонент поля естественных ОНЧ-излучений.
На всех этапах работы действенную помощь автору оказывали научные руководители д.ф.-м.н. Н.Г.Клейменова и к.ф.-м.н. С.П.Чернышева.
Практическая ценность работы заключается в том, что разрабо- тайные автором методы определения угла падения ОНЧ-волн, абсолютной амплитудной калибровки, а также полученные им экспериментальные данные могут быть использованы как в фундаментальных геофизических исследованиях, так и при решении ряда прикладных задач, таких как определение уровня электромагнитных помех в тех или иных районах, локализация грозовых центров и др.
Основные результаты диссертации докладывались на рабочих совещаниях по международному проекту САМБО (1976 - 1979 г.г.), на ІУ Всесоюзном Семинаре по ОНЧ-излучениям в г. Тбилиси (1978 г.), на рабочем Всесоюзном Семинаре по атмосферному электричеству и магнитосферным возмущениям в г. Ростове-на-Дону (1982 г.), на УТ международной школе-семинаре КАПГ по физике магнитосферной плазмы (Москва, 1982 г.), международной Чепменовской конференции (США, о.Гаваи, 1983 г.), международном семинаре по физическим процессам в области ионосферного провала (ЧССР, г. Прага, 1983 г.), на УІ Всесоюзной школе-семинаре по ОНЧ-излучениям (Москва, Звенигород, 1983 г.). По теме диссертации автором опубликовано II работ в отечественной и зарубежной печати [53, 63, 74, 87, 88, 89, 97, 100, 101, 102, 103].
Распространение ОНЧ-сигнала в волноводе Земля-ионосфера
Известно [37], что область D нижней ионосферы для волн ОНЧ-диапазона не является поглощающим слоем, как для волн радиодиапазона, а служит проводящей стенкой волновода, направляющей поток их излучения и тем самым способствующей их распространению. На достаточно удаленных от источника расстояниях рассмотрение по отдельности прямой и отраженных от ионосферы волн не является корректным. Так, на расстоянии свыше 2000 км практически существует лишь одна достаточно интенсивная волна чисто вол-новодной природы, которая не является прямой волной. При этом классический подход на основе строгого решения дифракционной задачи, также как и лучевая трактовка картины распространения при учете влияния ионосферы, уже не пригодны для описания распространения этих волн на большие расстояния. В зоне расстояний, меньших 1000 2000 км, электромагнитное поле целесообразно рассматривать как суперпозицию прямой волны и волн, отраженных от нижней ионосферы. Можно показать, что строгое решение вол-новодной задачи переходит здесь в соответствующее решение в приближении геометрической оптики - так называемое "разложение по лучам".
При интерпретации данных наземной регистрации решение в приближении геометрической оптики обычно проводят для определения поправок к полю прямой волны, связанных с присутствием волн, испытавших одно или несколько отражений от нижней ионосферы [б]. Так как коэффициент отражения от ионосферы при небольших углах падения невелик (примерно 0,3 - 0,5) и имеет место некоторое рассеяние волн при отражении, можно не учитывать волноводный эффект при регистрации ОНЧ-излучения, вышедшего из ионосферы на расстояниях, меньших 100 - 150 км по горизонтали от наблюдателя. Если же область выхода ОНЧ-волн в волновод Земля-ионосфера расположена дальше, необходимо учитывать влияние волновода, применяя разложение по лучам или решая строго волноводную задачу.
В реальной ионосфере, особенно в возмущенной авроральной, почти всегда присутствуют неоднородности, рассеяние на которых ОНЧ-волн, приходящих из магнитосферы, может определять картину волновых полей в месте регистрации [38]. Классический метод геометрической оптики в этом случае не работает, поэтому необходимо прямое численное решение волнового уравнения с целью отыскания электромагнитных полей. При этом источник ОНЧ-волн предполагается либо в виде эквивалентного магнитного или электрического диполя [38, 39, 40], либо в виде пульсирующих токовых систем [38].
Возбуждение волновода Земля-ионосфера горизонтальным электрическим диполем, помещенным вблизи верхней границы волновода Земля-ионосфера, рассматривалось в работе 139J. Для оценок полей и получения качественной картины распространения ОНЧ-волн была выбрана [39] простая модель среды, позволяющая получить аналитическое решение упрощенной задачи. В качестве такой модели выбирается двухслойная структура: между идеально проводящей Землей и магнитоактивной плазмой расположен воздушный промежуток высоты К . При учете граничных условий при помощи преобразования Фурье получено [39] выражение для вертикальной компоненты электрического поля в волноводе
Этот интеграл можно представить в виде суммы вычетов в полю сах подинтегрального выражения, что соответствуетразложению электромагнитного поля по нормальным модам волновода
Метод определения направления прихода ОНЧ-волн Окады и др
Метод определения направления прихода и других параметров ОНЧ-волн, регистрируемых вблизи поверхности Земли, по сути дела является развитием метода, описанного в [б]. Основные соотношения, определяющие программу аналогового процессора [48], совпадают с приведенными в [б]. Анализатор работает следующим образом.
Широкополосные сигналы с выходов предусилителей вертикальной электрической и горизонтальных магнитных антенн попадают на селективные усилители. Фазосдвигатель задерживает по фазе на 90 сигналы горизонтальных магнитных антенн, получая напряжения vx и v3 , Для шести комбинаций пяти полученных напряжений .v .v .-v, и г вычисляется корреляция и выводятся в виде постоянного напряжения следующие функции [48]: ос = TSX V = - 2.OL Cg AiU) V tOi 0 & = v va = 2-а. ( cj АіЦ) v cos. 0 s» i.vx 0 s.c $ / = VA z. = 2.- С9 -iX) v cot 6 " б С-ОІ ft 2. a « VK g N/ = 2.CL ( g Axw} &ln9 ( vv\0 + -ЦССЛ0 COLff)) = V g) V = 2a.(gAxh) s Ln (c05 - UCOS Q%lv\ f ) 0 = VE = 2a. Цк Ыи20 где a -постоянная коррелятора, AxVx -амплитуда поля ТМ-компоненты волны, Artw -амплитуда поля ТЕ-компоненты, u = Re [(Ачк/А ) е L j f v = 1иа\.(Ащ/А1К)е и ] , где Ч - сдвиг фаз между ТМ- и ТЕ-волнами, Ч., » Vz- амплитУДа сигнала на выходе предусилителей магнитных антенн Восток-Запад, Север-Юг и вертикальной электрической антен-ды, соответственно, С) - коэффициент пропорциональности между амг плитудой регистрируемого поля и вызванным этим полем напряжением яа выходе предусилителей, б - угол падения, Ф - азимутальный угол.
Полярность « несет информацию о поляризации регистрируемой волны, два сигнала р и " , получаемые из напряжений v, и v , используются для определения отношения большой и малой осей эллип-за поляризации регистрируемой ОНЧ-волны в проекции на поверхность Земли: у = /низкочастотная часть (v,? v )/ = 2t(g [і4й-4"vz) e] б1 = /высокочастотная часть & - постоянная схемы. Как следует из уравнений, о и г не зависят от ф , а зависят от 8, и. и v. Отношение осей эллипса поляризации можно получить из уравнения: k = Vt?- 0 /Cf Я")
Располагая приведенными выше величинами, по мнению авторов [48], можно определить параметры волны в трех различных случаях: а) волна приходит под некоторым углом к вертикали с эллипти ческой поляризацией; б) волна приходит по вертикали с поляризацией, близкой к круговой; в) волна приходит по горизонтали с поляризацией, близкой к_ Ггещ линейной. с ::г.,"""..:; с: 42
Отметим, что описываемый в [48] метод эффективен для определения направлений прихода как свистов, покинувших ионосферу как вблизи над точкой наблюдения, так и на значительном удалении от наблюдателя, когда имеет место распространение ОНЧ-сигнала на волноводной моде. Этот метод определяет все параметры плоской волны, пришедшей в место регистрации. Однако, большая сложность аппаратуры, реализующей метод и трудность расшифровки записей вряд ли позволит ему приобрести столь же широкое распространение на геофизических обсерваториях, как методу регистрации огибающих ОНЧ-сигнала.
Метод определения направления прихода по разности времен прихода сигнала в три пространственно разнесенные точки.
Метод определения направления распространения по результатам измерения разности времен прихода сигнала в две или три пространственно разнесенные точки, в отличие от рассмотренных выше, не требует анализа электромагнитного поля ОНЧ-волны в месте регистрации. Впервые такой метод был описан в [49], где отмечалось, что повышению точности метода препятствует отсутствие в естественных ОНЧ-сигналах ясно выраженных всплесков, которые могли дать начало отсчета времени. Эта трудность была частично преодолена в [50], где разность времен прихода сигнала определялась по временному сдвигу кросс-корреляционной функции сигналов, принятых в пространственно-разнесенных точках.
Если разность времен прихода сигналов в первую и вторую вспомогательную точки относительно базовой t, и zz , соответственно, азимутальный угол прихода ОНЧ-волны ф и угол падения 0 определяются соотношениями [50]: to ф =( 2.4, /tj s.) С05.ЄСА - ьіал
Здесь С - скорость света в вакууме, - угол между направлениями на вспомогательные точки из основной, d, и d 2. - расстояния между основной и первой и второй вспомогательными точками, соответственно.
Определение угла падения ОНЧ-волн, выходящих из достаточно протяженной области ионосферы
Рассмотрим поведение функции S(G)= Ег/Н в случае, когда ОНЧ- излучение в месте наблюдения представляет собой результат наложения падающих и отраженных от поверхности Земли плоских волн, приходящих из достаточно протяженной области ионосферы. В этом случае система уравнений (2.1) и (2.6), строго говоря, будет неверна. Чтобы получить уравнение связи между значениями Ег/Н и искомыми величинами углов падения, необходимо выбрать модель излучающей области.
Как показано в [25](рис.1.3), траектории ОНЧ-волн после выхода из ионосферы образуют расходящийся пучок (при углах падения 0 ЗО), мнимый источник которого находится на высоте 100-120 км. Экспериментально полученные значения затухания ОНЧ-волн при распространении по волноводу Земля-ионосфера [99] примерно совпадают со значениями пространственного затухания пучка волн, излучаемого источником, находящимся на высоте 80-100 км. Изложенное выше дает основание выбрать модель излучающей области в виде отрезка прямой длины I , вдоль которой равномерно распределены мнимые некогерентно излучающие источники.
Чтобы получить средние значения амплитуд полей в месте при іма, просуммируем интенсивности волн, создаваемые каждым из эле-юнтарных источников. Ось системы координат направим вдоль прямой, іа которой расположены источники, начало отсчета поместим в точ-су пересечения координатной оси с перпендикулярной ей плоскостью, ipoходящей через точку наблюдения М.
На рис.2.4 показано относительное расположение протяженного їсточника и точки наблюдения М. Здесь г0 - расстояние от точки наблюдения до отрезка, на котором расположены источники, г - рассто-шие от места наблюдения до элементарного источника с координатой , 9 - угол падения волны, испускаемой элементарным источником с координатой х = 0, б - угол падения волны, испускаемой источником с координатой х , К - высота отрезка над поверхностью Земли. Пространственное затухание ОНЧ-волн будем описывать множителем I/r , многократно отраженные от поверхности Земли и от ио-яосферы ОНЧ-волны, приходящие к наблюдателю, учитывать не будем, гак как их влияние на получаемые результаты невелико [б,45].
Как мы видим, выражение (2.16) совпадает с полученным ранее (2.9) для точечного источника. Таким образом, можно сделать важный вывод: при анализе результатов измерений можно пользоваться простыми формулами для точечного источника, если можно пренеб-речь (a cos в) по сравнению с квадратом высоты ионосферы и, если
Можно пользоваться Приближенной формулой O-rctcj (a./r0) «й а./г0 При aa = 0,5 равенство a.rci. j (a./r„) = о,/г0 выполняется с относительной ошибкой 7%. Требование aJ-eo s Ьг является более сильным. Если предположить, что высота ионосферы h = 80 - 100 км; даже при 0 = 50 это неравенство может быть удовлетворено при о- 40 км, а если 6 -» 0, необходимо, чтобы 15 км. Отсюда следует, что источник может считаться точечным, если размеры области выхода не превышают 30 - 40 км (при высоте ионосферы 80 -100 км).
Центр отрезка движется по прямой, проходящей через точку наблюдения, сам отрезок перпендикулярен к этой прямой. Размеры источника велики по сравнению с расстоянием до наблюдателя, т.е. выполняется неравенство oJ-coi.z9» U2 Может существовать ситуация, когда отсутствует пространственное затухание (например, случай малых углов падения на рис.1.3), Для этого случая можно получить аналогичное соотношение, повторяя предыдущие выкладки и отбрасывая при этом множитель l/r , описывающий пространственное затухание ОНЧ-волн; I») ( („ytf-.„гі,«) 12Л»
Сказанное выше иллюстрирует рис.2.5, на котором показаны зависимости о( ) = Ег/Н в случае, когда имеется пространственное затухание (сплошные линии), и в случае, когда оно отсутствует (пунктир). Из рисунка следует, что при размерах излучающей области, меньших ее высоты над поверхностью Земли зависимость для случая с пространственным затуханием и без него практически неотличимы. Различия видны, если длина излучающей области вдвое превышает ее высоту над поверхностью Земли. С удалением области выхода от места наблюдения эти различия сглаживаются.
При обработке результатов наблюдений, особенно, если по косвенным данным место выхода ОНЧ-волн должно находиться в зените наблюдателя, а амплитуда регистрируемой вертикальной компоненты электрического поля не равна нулю, не следует отбрасывать возможность прохождения области выхода через зенит наблюдателя, так как о 4 0 может быть связано с тем, что источник протяженный.
Динамика точки выхода ОНЧ-волн в субавроральных широтах для излучений типа хоров
ОНЧ-хоры - типичные субавроральные явления. Максимум вероятности появления этих излучений отмечается в предполуденные часы [ю]. Появление ОНЧ-хоров тесно связано с развитием магни-тосферной суббури, они наблюдаются на восстановительной фазе отрицательных магнитных бухт, когда магнитное поле на меридиане точки наблюдения начинает успокаиваться [Ю]. При этом, однако, в ночном секторе магнитосферы развитие магнитной активности продолжается.
Появление ОНЧ-хоров хорошо коррелирует с появлением корот-копериодических пульсаций магнитного поля Земли [Ю]. Как правило, перед регистрацией ОНЧ-хоров наблюдаются длительные (более двух-трех часов) иррегулярные пульсации типа Pi- 1С (авро-ральная ажитация) с периодами порядка нескольких секунд и амплитудой порядка десятых долей нТл [82].
Появление ОНЧ-хоров тесно связано с развитием пульсирующих сияний [89,91]. Так, все без исключения случаи наблюдения пульсирующих полярных сияний в авроральной зоне (обсерватория Лопарская, Фт= 64 ), сопровождались возбуждением ОНЧ-хоров в субавроральной зоне (обсерватория Согра, L 3,6). Периоды пульсирующих сияний по порядку величины соответствуют периоду следования отдельных групп хоровых элементов.
Всплеск хоров обычно представляет собой пологую бухту с постепенным нарастанием интенсивности и одновременным подъемом верхней граничной частоты от 0,6 - 0,7 кГц до 4 - 5 кГц и таким же постепенным спадом интенсивности. Продолжительности всплесков хоров определяются уровнем магнитной активности и длительностью развития возмущений в ночном секторе магнитосферы. Средняя продолжительность всплесков в субавроральных широтах составляет 1-3 часа, время нарастания интенсивности - от 15 до 40 минут.
Рассмотрим морфологические особенности вертикальной электрической компоненты ОНЧ-хоров и динамику отношения Ег/Н на примере нескольких типичных всплесков, зарегистрированных нами в обсерватории Мезень Архангельской области ($т= 61,3; = 121,3) в марте 1979 года (эксперимент САМБО-79). Далее мы будем пользоваться тем фактом, что отношение Ег/Н с точностью около 3% совпадает со значением угла падения в радианах в диапазоне углов падения 0 - 80 для случая, когда область выхода ОНЧ-волн из ионосферы мала по сравнению с расстоянием до наблюдателя. Таким образом, можно считать, что угол падения регистрируемой ОНЧ-вол-ны с достаточной для практических целей точностью равен Ez/H.
4 марта 1979 года наблюдался достаточно продолжительный всплеск хора, длившийся с 06.30 UT до 09.30 ОТ . На рис. 4.4 приведен график изменения величины Ez/H и относительной амплитуды магнитной компоненты во времени для этого всплеска. Рассматриваемый случай наблюдался в магнитовозмущенное время при К =3 в восстановительную фазу суббури с максимумом интенсивности в обсерватории Лопарская около 250 нТл.
Излучение наблюдалось на частотах ниже 4 кГц, и только после 07.20 UT всплески хора появляются и на канале 4,6 кГц. Максимальная амплитуда магнитной компоненты рассматриваемого всплеска принимала значение около 10 Тл/Гц и около 3 мкЕ/м-Гц1 2 в вертикальной электрической компоненте.
Минимум функции Ег/Н и резкое уменьшение ее значений в интервале 07.20 UT - 08.00 UT может быть проинтерпретирован, как движение точки выхода ОНЧ-волны вблизи обсерватории Мезень.
Приведенный на рис. 4.4 ход значений Ег/Н заставляет предположить, что точка выхода регистрируемых ОНЧ-волн из ионосферы до 07.20 UТ постепенно приближалась к обсерватории Мез ень, а за— тем, примерно после 08.00 UT, стала удаляться. По всей видимости, область выхода непрерывно перемещается к северу вдоль меридиана. Действительно, если наблюдаемый на поверхности Земли хор направляется к Земле плазмопаузой, то при К = 5 в утреннее время плаз-мопауза будет находиться по расчетам на L4 4 (для обсерватории Мезень L = 4,1). Затем, с учетом убывания магнитной активности к местному магнитному полудню плазмопауза отодвинется к большим L - оболочкам.
Если предполагать точку выхода регистрируемых волн расположенной на высоте около 80 км, то в 06.30 UT она была на расстоянии около 45 км от обсерватории, а в 09.00 UT - на расстоянии примерно 80 км от обсерватории (по горизонтали). Расчет средней скорости движения точки выхода дает величину порядка 50 км/ч. На возможное перемещение точки выхода регистрируемого сигнала к северу также указывает факт появления нового всплеска хора в обсерватории Ловозеро в 09.00 UT- 09.20 UT . тальной магнитной компонент наблюдались более или менее синхронно, а в период, когда отношение Ez/H принимало минимальные значения и, следовательно, точка выхода регистрируемых ОНЧ-волн находилась вблизи зенита наблюдателя, временные вариации наблюдались только в горизонтальной магнитной компоненте, сигнал в вертикальной электрической практически отсутствовал. Участок записи огибающих, соответствующий интервалу времени 07.20 UT -08.00 UT , приведен на рис. 4.5. При рассмотрении этого рисунка можно заключить, что в этот период времени временные вариации интенсивности не связаны с перемещением источника сигнала относительно точки наблюдения. В данном случае временные вариации интенсивности всплеска в горизонтальной магнитной компоненте являются, по всей видимости, вариациями интенсивности источника регистрируемого сигнала.
