Актуальность темы
Одной из важнейших задач физики магнитосферы является исследование волновых процессов, протекающих 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 [I], посвященной свистящим атмосферикам, когда еще на заре космических исследований он сделал правильную оценку электронной концентрации на больших высотах. По особенностям спектровионных 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 (хо-и и дискретные эмиссии). Различные типы ОНЧ-излучений могут воз-уждаться в различных структурных областях магнитосферы, и, таим образом, служить источником информации о плазменных процес-ах, 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 М-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 1азмы 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 высотах 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 (Е2) поля ОНЧ-излучений-^ дополнение к стандартной методике ОНЧ-наблюдений.
2. Разработать аппаратуру для регистрации вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений и провести наблюдение Е2 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.
3. Разработать методику амплитудной калибровки вертикальной электрической антенны для ОНЧ-диапазона.
4. 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 Е2 в диапазоне вариаций и короткопериодических пульсаций [2,3,4,5] позволили автору диссертации перейти к измерениям Ег 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 обсувдаются 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 — 20%, допускал бы возможность его применения на имеющейся сети наземных ОНЧ-наблюдений, и давал информацию, в первую очередь, об углах падения ОНЧ-волн, имеющих как узколокадизованные, так и протяженные области выхода из ионосферы.
Вторая глава диссертации посвящена разработке метода определения угла падения ОНЧ-волн с использованием данных регистрации Е2 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 определения 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-излученийследовательно, 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 достаточно 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 горизонтальной магнитной компонент поля ОНЧ-излучений, полученных автором в п.п. Corpa 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 точки 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 Еги 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 Нкомпонент 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 разработанные 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 1У 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 У1 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].
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. Разработан метод определения угла падения ОНЧ-волн в точку наблюдения с использованием данных регистрации вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений в дополнение к стандартной программе измерений горизонтальной магнитной компоненты поля ОНЧ-волн. Показано, что при использовании данных регистрации Е2 и Нх или Ну — составляющих электромагнитного поля ОНЧ-излучений можно получить информацию об углах падения ОНЧ-волн с относительной ошибкой не более 25% при углах падения 0 50° и не более 7% при 9 ?30°. Метод позволяет определять углы падения ОНЧ-волн, приходящих в место наблюдения как из локальной, так и из протяженной области ионосферы.
Достоинство разработанного метода состоит в том, что он может быть использован на любой обсерватории, ведущей регистрацию ОНЧ-излучений по стандартной программе.
2. Разработан макет устройства для регистрации вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-излучений, необходимый при реализации метода определения угла падения ОНЧ-волн. Относительная простота, а, следовательно, и дешевизна устройства позволяет использовать его на широкой сети обсерваторий и при полевых измерениях.
3. Впервые решена задача проведения абсолютной калибровки электрической антенны в полевых условиях. Разработана и экспериментально проверена методика абсолютной калибровки измерительного комплекса, необходимая при реализации предложенного метода определения угла падения ОНЧ-волн.
4. Впервые произведено экспериментальное исследование некоторых характеристик вертикальной электрической компоненты и зенитных углов прихода субавроральных излучений. Экспериментально выявлены основные закономерности их изменения и показана возможность в ряде случаев разделить влияние эффектов генерации и изменения точки выхода ОНЧ-волн на их амплитудно-временные вариации вблизи земной поверхности.
Так, например: а) в случае хоров экспериментально доказано, что в процессе развития всплесков область выхода регистрируемых ОНЧ-волн изменяет свое положение в пространстве, причем области выхода ОНЧ-волн с различными частотами пространственно разнесены. Определена экспериментально средняя скорость перемещения области выхода, причем ее значение практически совпало со скоростью движения источника ОНЧ-хоров в проекции на поверхность Земли, вычисленной с использованием модели Хелливела. Найдено, что источник ОНЧ-хоров может иметь малую протяженность, или, по крайней мере, распространение ОНЧ-излучения от источника в магнитосфере происходит вдоль локализованного в пространстве дакта. б) экспериментально найдено, что в случае модулированных шипений может иметь место пространственная осцилляция точки выхода регистрируемых ОНЧ-волн, тесно связанная с полем модулирующих пульсаций. Выявлено, что вариации интенсивности сигнала, обусловленные движением области выхода относительно точки наблюдения, вносят значительный вклад в амплитудно-временные характеристики всплесков модулированных шипений. в) экспериментально показано, что в случае широкополосных модулированных шипений может наблюдаться пространственное разделение областей выхода ОНЧ-волн с различными частотами, причем, так же, как и в случае хоров, область выхода ОНЧ-волн с большей частотой находится ближе к наблюдателю, чем волн с меньшей частотой, г) найдено, что динамика области выхода ночных и вечерних шипений коррелирует с движением и развитием полярных сияний.
В заключение автор приносит глубокую благодарность своим на-чным руководителям д.ф.-м.н. Наталье Георгиевне Клейменовой и .ф.-м.н. Светлане Петровне Чернышевой за внимание к работе, .М.Петухову и П. П. Пущаеву за помощь при проведении эксперимента, .А.Петуховой за помощь при оформлении работы, а также всем сотруд-икам Лаборатории Электромагнитного поля Земли кафедры физики РИСИ, а многочисленные полезные дискуссии и практическую помощь при ыполнении работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате проведенных исследований получены новые сведения о структуре электромагнитного поля ОНЧ-излучений вблизи земной поверхности и показана большая информативность включения в комплекс наблюдений регистрации вертикальной электрической компоненты поля ОНЧ-волн.
