Суббуря в радиосияниях

Акасофу впервые ввел понятие суббури и описал схему ее развития для полярных сияний, а затем развил ее и для других явлений в концепции магнитосферной суббури [I — 3j .В этих схемах Акасо^ описывалась последовательность развития во времени различных высокоширотных явлений. Определяющие признаки временных фаз содержались в динаглике полярных сияний в авроральной зоне, Впоследствии стало ясно, что суббуревые процессы нужно рассматривать не только во времени, но и в пространстве. Появилось понятие пространственно-временных фаз суббури [4]. Пространственная структура суббури в ионосфере несет информацию о структуре магнитосферы во время суббури и поэтому морфологические исследования суббуревых явлений в настоящее время непременно требуют четкого определения характерных временных фаз и характерных пространственных зон явления — пространственно-временной структуры суббури. Достаточно хорошо пространственно-временная структура суббури видна на хустой сети камер всего неба. Получать информацию с синхронно работающих нужного количества камер всего неба во время суббури удается редко. Оптические средства наблюдений чувствительны к погоде, солнечному освещению. Даже, если нужная информация будет зарегестрирована, обработка данных сети камер всего неба сложна и трудоемка. Наиболее распространенным методом исследования магнитосферной суббури остается изучение геомагнитных вариаций в широком частотном интервале. Основной недостаток этого метода — недостаточное пространственное разрешение. Для изучения тонкой структуры суббури необходимо иметь lyc" 4 туго сеть магнитовариационных станций и флюксметров. с высоким временным разрешением, охватывающую большие пространства [5]. В практике редко удается создать достаточно хустую сеть даже на площади 1000 км х 1000 км — это характерный масштаб области развития микросуббури [б, 7 ]. Возможности изучения сверхтонкой структуры суббури [б] или структуры микросуббури при сегодняшнем уровне магнитологических экспериментов практически исчерпаны, Тем не менее, дешевизна и возможность многочасовой необслуживаемой работы, наглядность представления информации, высокая чувствительность, возможность автоматизации обработки данных и хорошо развитая интерпретация первичных данных, делают магнитометрические средства наиболее массовыми в экспериментальных исследованиях суббурь. Интересы науки и практики потребовали дополнения развитого в’настоящее время комплекса экспериментальных средств для диагностики околоземного пространства прибором, обладающим временным разрешением не з? уже, чем у магнитометрических приборов и пространственным разрешением, приближающимся к возможностшл оптических методов. Такшл средством могла бы стать радиолокационная станция (РЛС) ультракоротковолнового (ЗЩВ) диапазона. РЛС имеет высокую, регулируемую пространственно-временную разрешающую способность. Это позволяет изучать как локальные явления с высоким пространственно-временным разрешением, так и получать средние по времени и пространству характеристики. явления. Одна РЛС, расположенная в относительно комфортабельных условиях, может контролировать большие пространства, в том числе, труднодоступные даже для экспедиций. Основным препятствием для внедрения радиолокационного ме- 5 тода в практику геофизического эксперимента является сложный характер взаимосвязи изображений на экране РЛС с параметравш явления — причины, вызвавшей эти отражения. Построение теории этой взаимосвязи — самостоятельная задача, от решения которой в настоящее время исследователи еще далеки. В такой ситуации представляется перспективным полуэмпирический путь внедрения методики в эксперимент, когда, опираясь на иьтеющуюся теорию, путем длительных наблюдений и сопоставлений выделяются внешние, феноменологические описания наблюдаемых регистрограмм — их «индикаторные портреты» [8]. Актуальность проблемы. Актуальность данной работы определяется требованиями науки и практики к задаче оперативной диагностики геофизической обстановки верхней атмосферы высоких широт. Исследование проявлений суббури в верхней атглосфере радиолокационными методагли актуально и перспективно в связи с его прет/(уществами перед традиционными видагли геофизических наблюдений в исследовании суббури. Преимуществами этого метода являются: — охват наблюдением больших пространств, в том числе и труднодоступных- - высокое и регулируемое пространственноевременное разрешение- - независимость от погодных условий, освещенности ионосферы. Актуальность и необходимость развития радиолокационного метода диагностики суббурь определяется интересом геофизиков к тонкой и сверхтонкой структуре суббури, необходимостью диатаостики состояния магнитосферы по измерениям на ограниченных в пространстве полигонах. Актуальность данной работы также определяется необходимостью борьбы с помехами радионавигационные? системам и средствам — 6 связи в ЗПКВ диапазоне. Известны работы, посвященные взаимосвязи радиосияний с различными элементами суббури. Так, проводились исследования взаимосвязи радиосияний с полярными сияниями [Э, 10, II, 12,13, 14], авроральными электроддетами [15, 16, 17, 18, 8], продольными токами [19, 20] и даже с тормозным рентгеновским излучением в авроральной зоне [2l]. В этих работах исследования ведутся безотносительно к схеме развития суббури, которая является общим механизмом, связывающим причинно-следственно или коррелятивно многие явления верхней атмосферы. Это позволяет обнаружить — корреляционно, при сопоставлении экспериментальных данных по самым разнородным видам наблюдений взаимосвязи. Эти взаимосвязи, налагаемые общей динамикой развития суббури, как правило, представлены в экспериментальном материале неявно, и если они не анализируются, то результаты получаются интересными лишь сами по себе, только как взаимосвязь радиосияни! с каким-либо явлением. Такие работы обычно не содержат обобщений, необходимых для применения их за пределами узкой, конкретно поставленной задачи. Характеристики взатлосвязей позволяют продвинуться в понимании природы радиосияний и механизмов, их вызывающих, но не приводят непосредственно к раскрытию места радиосияний в общей. картине наблюдаемых во время суббури процессов. Результаты рал бот, проведенных без учета пространственно-временной структуры суббури, получаются оторванными и не связанными с общей картиной магнитосферно-ионосферных взаимосвязей. Это, в свою очередь, приводит к тому, что исследование радиосияний понятно и интересно только узкому кругу специалистов и радиолокационный метод исследования верхней атмосферы остается не очень понятным, экзотическим для широкого круга геофизиков. Чтобы радиолокационный метод стал понятным и полезным для широкого круга специалис- 7 тов по физике верхней атмосферы и магнитосферно-ионосферного взаимодействия необходимо показать место взаимосвязей радиосия-^ НИИ в общей схеме развития магнитосферной суббури. Для этого, в первую очередь, надо построить обобщенную схему суббури в радиосияниях, которую нужно будет уточнять и корректировать, но можно и сейчас применять при оценке пространственно-временной структуры суббури по радиолокационным наблюдениям, Дополнение стандартного комплекса геофизических измерительных средств радиолокаторавли позволяет существенно расширить возможность эксперимента в ряде вопросов. Так, например, исследования, начатые авторами [22, 23], продолженные [24, 25, 2б]ираз-' вивающиеся сейчас, открывают принципиально новые возможности для экспершлентальных исследований генерации и распространения геомагнитных пульсаций поля, В этих работах показано, что с помощью радиолокационных средств можно получать информацию о положении и дрейфе областей, связанных с источниками геомагнитных пульсаций, Для разработки алгоритмов оценки геофизической обстановки необходимо знание морфологических характеристик радиосияний и их связи с другими геофизическилш явлениягли, в первую очередь, развитие радиосияний во вретля магнитосферной суббури, Представляешя работа посвящена внедрению радиолокации в исследование суббурь. Чтобы использовать PIC для изучения суббури необходимо определить признаки индикаторных портретов радиосияний для различных пространственно-временных фаз суббури, т, е, построить схему суббури в радиосияниях, Как реперное явление, определяющее фазы магнитосферной суб- ' бури, выбраны проявления магнитосферной суббури в геомагнитных вариациях и в иррегулярных геомагнитных пульсациях. Выбор этих явлений в качестве реперных обоснован выше — они хорошо изучены, часто используются при исследовании магнитосферной суббури, тесно связаны с радиосияниями. Данные по этим видам наблюдений — 8 обычно полны. Работы, показывающие характеристики радиосияний в отдельных фазах суббури, известны -[Ю, 27, 28, 29, 30]. В этих работах использована разнообразная техника, отличающаяся по частотным, энергетическим характеристикам и по геомагнитной широте расположения, Для классификации радиосияний, специфичных для какой-либо фазы суббури, часто используется такая характеристика радиосияний, как их протяженность по высоте, хотя оперативное и достаточно точное определение ее для большинства используемых в геофизике РЛС невозможно, что затрудняет сравнение результатов разных авторов. Цель диссертационной работы- - Исследовать характеристики суббуревых радиосияний на разных фазах магнитосферной суббури в различных секторах полярной ионосферы и построить обобщенную схему суббури в радиосияниях. — Исследовать временную и пространственную взаимосвязь между суббуревыми радиосияниями и иррегулярными геомагнитными пульсациями типа Р Ц В и КУП, — Исследовать динамшсу аврорального электроджета во врегля появления в нем радиосияний, Научная новизна. Применение меридиональной цепочки РЛС и большого статистического материала позволило построить схему развития суббури в радиосияниях. Такая работа выполнена впервые. Предшествующе работы ограничивались изучением взаимосвязи между радиосияниями и каким-чгатбо иным явлением. В данной работе впервые сформулирована методика определения области максимума интенсивности иррегулярных геомагнитных пульсаций типа Р 1 В по радиолокационным данным и показаны перспективы исследования КУП с применением радиолокации. Получены характеристики эквивалентных ионосферных токов во — 9 время регистрации короткоживущих дискретных радиосияний. Взаимосвязь аврорального электроджета и радиосияний, условия, при которых возникают радиосияния, изучаются давно [32,33]. Используя хорошее пространственное разрешение и достаточное оснащение наших экспериментов магнитовариационными станциями (МВС), мы рассмотрели, как меняется эквивалентный ионосферный ток при появлении в нем локальных областей, занятых радиосияниями. Хотя полученные результаты не допускают однозначную интерпретацию — временное разрешение HffiC оказалось недостаточным — эффекты обнаружены и описаны в работе. На защиту выносятся следующие положения: Пространственно-временная схема суббури’в радиосияниях, позволяющая по индикаторным портретам радиосияний определять временную фазу суббури или микросуббури, и оценивать пространственное положение области развития этих явлений. Методика определения области источника геомагнитных пульсаций типа PilB. Обнаруженный нами эффект пространственной перестройки аврорального электроджета в области появления короткоживущих дискретных радиосияний. Щучная и практическая ценность «работы. Полученные в диссертации результаты экспериментального исследования суббури в радиосияниях мотут быть использованы для диагностики развития шгнитосферной суббури и микросуббурь. Предложенная методика диагностики максимума интенсивности геомагнитных пульсаций типа Р И в может быть внедрена в практику. Полученные результаты по реакции ионосферных эквивалетных токов на появление суббуревых радиосияний могут быть использованы при изучении электродинамики системы ионосфера-магнитосфе- 10 pa во время суббури, Приведенные в диссертации характеристики суббуревых радиосияний могут быть использованы при изучении условий работы средств радионавигации и радиосвязи УКВ диапазона в полярных областях. Птзактическре использование результатовработы. Результаты экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, были использованы при выполнении плана основных научно-исследовательских работ ИШИА ЯФ СО АН СССР по тематике изучения авроральных неоднородностей высокоширотной ионосферы и рассеяния на них радиаволн УКВ диапазона, в том числе хоздоговорных, а также исследований проявлений мазтнитосферной суббури.Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, 1977), симпозиуме КАПГ (Ашхабад, 1979), Всесоюзном семинаре по радиоавроре (1Уйгрманск, 1980), Всесоюзном совещании по итогам выполнения программы МШЛ (Ашхабад, I98I), Международной научной Ассамблее МАГА (Эдинбург, I98I), на 1-м Всесоюзном семинаре «Физика радиоавроры и авроральная суббуря» (ГДуршнск, 1983), а также на семинарах ШФШ, Л1У, СибИЗМИР. По теме диссертации опубликовано 13 работ. — II.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате изучения развития суббуревых радиосияний в ходе суббури по штериалам комплексных экспедиций в зимние, весенние и осенние сезоны 1973;1974 и 1976 гг., а также одновременных магнитометрических исследований в Якутской меридиональной цепочке построена схема суббури в радиосияниях.

На защиту выносятся следующие положения:

I. Суббуря, не имеющая тонкой структуры, проявится в радиосияниях следующим образом.

Активная фаза суббури:

— вечерний сектор. Наблюдаются дрейфующие к экватору радиосияния 1-го типа.

— полуночный сектор. В активной фазе суббури внезапной появляются радиосияния 2-го типа, смещающиеся к северо-западу и северо-востоку.

— утренний сектор. Наблюдаются радиосияния 3-го типа, дрейфующие к экватору.

Фаза восстановления суббури.

— вечерний сектор. Прекращается дрейф радиосияний к экватору, область, занятая радиосияниями 1-го типа, уменьшается и вскоре исчезает.

— полуночный сектор. Радиосияния 2-го типа сменяются на 3-й тип и смещаются к экватору до широты радиосияний 3-го типа в утреннем секторе.

— утренний сектор. Прекращается дрейф радиосияний 3-го типа, область, занятая радиосияниями, уменьшается.

В реальной суббуре ее схема в радиосияниях определяется наложением интенсификаций и микросуббурь. Схема микросуббури такая же, как схема идеализированной суббури и отличается от последней.

— 120 пространственными масштабами области проявления.

2. Обнаружено, что область радиосияний 2-го типа совпадает с областью максимума интенсивности геомагнитных пульсаций типа. PilB. Это позволяет предложить методику изучения пространственного положения источника пульсаций PilB (проекцию источника на Е слой ионосферы) радиолокационным методом.

3. Обнаружена и описана перестройка эквивалентных ионосферных токов при появлении радиосияний 2-го типа. Эквивалентный ионосферный ток резко усиливается севернее области радиосияний 2-г типа, а южнее уменьшается.

В этой картине суббури в радиосияниях явно видна взаимосвязь радиосияний различных типов с физическими процессами и параметрами в ионосферной плазме. Так, радиосияний 1-го типа явно связаны с восточным электроджетом, 2-го типа — с западным, по месту и времени с областью его наибольшей турбулентности, с моментом его развития, когда происходит вторжение энергичных электронов, развиваются пульсации PilB ?26,120,113], 3-й тип также связан с западным электроджетом, областью* лежащей преимущественно восточнее зоны максимальной турбулентности и более поздним временным интервалом.

В результате такой схемы появилась возможность интерпретировать изображения на радиолокационных экранах в терминах, принятых: -.в геофизике — определять с помощью радиолокатора направление ионосферного тока и характер турбулентности в лоцируемой зоне. Иначе говоря, получена методика, позволяющая проводить оценки характеристик, получаемых традиционно магнитометрическими методами по радиолокационным данным. При этом на сегодняшнем уровне развития исследований радиолокационные методы проигрывают магнитометрическим в том, что лишены количественной основы — радиолокационные данные не могут быть прокалиброваны по интенсивности токов и турбулентности в ионосфере, но пространственно-временное разрешение радиолокационных методов несоизмеримо выше, чем у наземных магнитометрических.

Указанное преимущество радиолокационным методом мы попытались реализовать, применяя их совместно с магнитометрией к изучению тонкой структуры суббури. По магнитометрическим данным было видно, что микросуббуре присущи характерные временные фазы суббури. По радиолокационным данным видно, что и пространственные также.

Вероятно, микросуббуря связана с развитием токовой системы в ионосфере, такой же внешне, как и суббуря, но пространственные масштабы этой системы много меньше. Вопрос замыкания ионосферных токов микросуббури не ясен. Он и не исследовался в данной работе.

Радиолокационные исследования показывают, что микросуббури при сильных возмущениях могут развиваться вдали от полуночного сектора, развиваясь только в западном электроджете. За весь обработанный период не было обнаружено факта начала развития очага микросуббури в области восточного электроджета.

Одним из наиболее серьезных затруднений в применении в геофизике радиолокации является отсутствие теории радиосияний, доведенной до уровня, на котором возможны количественные оценки. Мы попытались оценить возможности радиолокационного эксперимента в геофизике эмпирически. Хотя мы далеки от достаточного понимания взаимосвязи различных типов иррегулярных геомагнитных пульсаций с различными типами радиосияний, применение радиолокации в исследованиях геомагнитных пульсаций возможно уже сегодня. По радиолокационным данным хотя и не удается определить интенсивность и спектр иррегулярных пульсаций, но координаты области максимума их интенсивности в проекции на ионосферу — высоким пространственно-временным разрешение и притом оперативно.

В заключение автор выражает глубокую благодарность за большую помощь и постоянное внимание научному руководителю кандидату физико-математических наук ПЬфтану Валерию Аркадьевичу. Автор глубоко признателен кандидатам физико-математических наук Е. А. Пономареву, Ю. И. Вакулину, В. А. Пархомову в соавторстве с которыми было выполнено много работ, а также выражает благодарность сотрудникам лаборатории радиосияний ИКФИА. ЯФ СО АН СССР за помощь в получении экспериментальных данных, их первичную обработку и обсуждение результатов, полученных в данной работе на семинарах.