Исследование крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, вызванных мощным радиоизлучением, методом частичных отражений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

\п Министерство образования Украины

Харьковский государственный университет

На правах рукописи

Гармаш Константин Петрович

Исследование крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, вызванных мощным радиоизлучением, методом частичных отражений

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Харьков -19 96

Диссертация представляет собой рукопись.

Работа выполнена в Харьковском государственном университете Министерства образования Украины.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Черногор Леонид Феоктистович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ямпольский Юрий Моисеевич, Радиоастрономический институт HAH Украины;

кандидат физико-математических наук, доцент Ивченко Василий Николаевич, Киевский национальный университет.

Ведущая организация:

Институт радиофизики и электроники HAH Украины.

Защита состоится " " CkJlzShcX 1996 г. в /4 час. QO мин. '

на заседании специализированного ученого совета Д02.02.07 Харьковского государственного университета (310077, Харьков, пл. Свободы, 4, аудитория Ш-9).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Харьковского государственного университета.

Автореферат разослан ' " 3 'hZtCtt Г г.

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия актуальными являются исследования реакции околоземной космической плазмы на воздействие мощных источников различной физической природы, имеющих как естественный, так и искусственный характер. Изучение последних представляет особый интерес в связи с возможностью целенаправленного воздействия на отдельные области околоземной среды, управления параметрами воздействия, а также возможностью прогнозирования экологических последствий деятельности человеческой цивилизации. Оказывается, что воздействие ряда источников может приводить к генерации локализованных (размер Ъ < 100 км), крупномасштабных (Ъ ~ 100 - 1000 км) и глобальных (Ь > 1000 км), возмущений. В числе источников возмущений не последнее место по энергетике воздействия занимает радиоизлучение мощных специализированных и неспециализированных систем различного назначения, а также излучение мощных линий электропередач. Исследованию взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой посвящено большое количество работ. В них изучаются эффекты, возникающие в пределах непосредственно облучаемой области. В то же время принципиальное значение имеет возможность возникновения крупномасштабных и глобальных возмущений, стимулированных мощным радиоизлучением. В связи с этим их исследование имеет большое общенаучное и прикладное значение.

Большинство исследований возмущений различной природы были выполнены, в основном, для Е и Г областей ионосферы, частично для внешней ионосферы (выше максимума ионизации слоя Гг) и магнитосферы. Процессы, протекающие при этом в нижней ионосфере, изучены в настоящее время недостаточно, хотя они могут предоставить уникальную информацию о механизмах ионо-сферно - магнитосферных связей, основанных на взаимодействии волна - частица, и, как следствие, о состоянии радиационных поясов Земли. Для исследования этой области ионосферы (г » 60 - 100 км) одним из наиболее эффективных является метод частичных отражений, основанный на рассеянии слабыми естественными не-однородностями концентрации плазмы радиоволн гекто- и дека-метрового диапазонов длин волн (£ ~ 2 - б МГц). С учетом крупномасштабного характера возникающих возмущений желательно наличие разнесенных либо подвижных пунктов дистанционного радиозондирования. Указанным требованиям в значительной мере удовлетворяют созданные в ХГУ комплексы для исследования нижней ионосферы, включающие в себя стационарную и подвижную установки метода частичных отражений. Также возможно использование данных, полученных на аналогичных установках в

других странах СНГ и за рубежом. Этим и определяется актуальность данной работы.

Целью работы является:

- исследование пространственно - временных параметров локализованных и крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, возникающих в результате воздействия на нее мощного радиоизлучения на основе анализа вариаций статистических характеристик радиосигналов, частично отраженных или рассеянных на ее неоднородностях;

- построение эмпирической модели вариаций основных статистических характеристик частично-отраженных в нижней ионосфере радиосигналов при возникновении возмущений;

- изучение поведения профиля электронной концентрации Б-области во время возмущений;

- разработка элементов теоретической модели явления.

Методы исследования.

В работе использовались экспериментальный и теоретический методы исследования, а также метод численного моделирования.

Экспериментальное исследование крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере базировалось на использовании передвижной и стационарной установок метода частичных отражений, разработанных и изготовленных на кафедре космической радиофизики Харьковского государственного университета, а также аналогичной установки, принадлежащей Научно-

исследовательскому радиофизическому институту (г. Нижний Новгород). При обработке экспериментальных результатов применялись известные подходы математической статистики и статистической радиофизики. Восстановление профилей электронной концентрации производилось по методике дифференциального поглощения с использованием современного устойчивого алгоритма регуляризации обратной задачи. Элементы теоретической модели основывались на результатах численного моделирования электродинамических процессов в магнитосферной плазме и, в частности, движения частиц в неоднородных магнитном и квазипостоянном электрическом полях.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1) впервые изучены основные пространственно - временные параметры вариаций статистических характеристик частично отраженных сигналов (средних интенсивностей нормальных компонент, их дисперсий, интервалов автокорреляции и коэффициента взаимной корреляции), обусловленные явлением генерации крупномасштабных возмущений в ионосфере в результате воздействия мощного радиоизлучения;

2) впервые использован при получении профилей электронной концентрации в методике дифференциального поглощения алго-

ритм регуляризации, позволяющий уменьшить их реальную погрешность и улучшить качество решения, обоснована целесообразность его применения для систематического мониторинга нижней ионосферы методом частичных отражений;

3) впервые получены регуляризированные профили электронной концентрации Б - области в возмущеннных условиях, свидетельствующие об увеличении ее уровня до 100% и более продолжительностью порядка 5-10 мин в диапазоне высот 70-90 км;

4) предложены элементы теоретической модели явления, качественно объясняющей наблюдаемые в нижней ионосфере возмущения.

Научная и практическая значимость. Полученные в диссертации результаты позволили приблизиться к пониманию сложного комплекса процессов, имеющих место при мощном локальном энерговыделении в ионосфере за счет взаимодействия различных областей околоземной космической плазмы. Построенная эмпирическая модель вариаций статистических характеристик частично отраженных в нижней ионосфере радиосигналов позволяет практически оценить влияние возмущений в нижней ионосфере на каналы радиолокации и радионавигации, а также использовать их для радиосвязи, основанной на рассеянии радиоволн искусственными образованиями. Элементы разработанной теоретической модели явления полезны для уточнения модели околоземной среды и процессов взаимодействия ее областей, а разработанная программа регуляризации обратной задачи в методе частичных отражений поможет улучшить достоверность и оперативность мониторинга параметров нижней ионосферы, сделать более надежными на этой основе прогнозы условий распространения радиоволн.

Использование и внедрение. Результаты диссертационной работы являются составной частью работ, выполненных на кафедре космической радиофизики Харьковского госуниверситета в рамках ее научного направления. Полученные результаты вошли в 14 отчетов по НИР, выполненных кафедрой космической радиофизики ХГУ в 1985 - 1995 гг., и используются заказчиками соответствующих работ. Часть результатов внедрена в ИФЗ РАН, ИПГ Роскомгидромета, НМРФИ, СКБ "Стенд", а также в учебном процессе на радиофизическом факультете ХГУ.

На защиту выносятся следующие положения работы.

1. Элементы эмпирической модели вариаций статистических характеристик частично отраженных радиосигналов и радиошума, вызванных крупномасштабными ( -100-1000 км) возмущениями в ионосфере: величина, продолжительность, время запаздывания, диапазон высот в зависимости от месторасположения нагревного стенда, параметров возмущающего радиоизлучения и времени суток, а также гелиогеомагнитной обстановки.

2. Эффект усиления в 1,5 - 2 раза (на 1-4 нТл) амплитуды флуктуаций горизонтальных компонент геомагнитного поля в диапазоне частот 1,4 - 270 мГц, сопровождающий возникновение крупномасштабных возмущений в ионосфере.

3. Компьютерная программа для восстановления профилей электронной концентрации Е> - области ионосферы, использующая алгоритм регуляризации и позволяющая в 3 - 5 раз уменьшить погрешность решения, а также расширить высотный диапазон применимости методики по крайней мере снизу.

4. Эффект кратковременного (около 5-10 мин) увеличения электронной концентрации в 1,5 - 2 и более раз в слое с вертикальным размером не менее 10 км в области высот 70 - 90 км, сопровождающий крупномасштабные возмущения.

5. Элементы физической модели явления, объясняющей основные экспериментальные факты, где ключевым моментом является взаимодействие энергичных частиц радиационного пояса с квазистационарным электрическим полем поляризации ионосферной неоднородности.

Публикации. Диссертант является автором или соавтором 25 печатных работ, из них 22 - по теме диссертации.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты были представлены в виде докладов на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:

- X, XI научных конференциях молодых ученых и специалистов МФТИ, Москва, 1985 г., 1986 г.;

- II Всесоюзном симпозиуме по результатам исследования средней атмосферы, Москва, 1986 г.;

- I Всесоюзной школе-семинаре "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Туапсе, 1987 г.;

- Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере", Калининград, 1989 г.;

- Всесоюзном симпозиуме " Ионосфера и взаимодействие дека-метровых радиоволн с ионосферной плазмой", Москва, 1989 г.;

- Всесоюзном совещании по специальным вопросам физики ионосферы и распространения радиоволн, Нижний Новгород, 1986г., 1989 г.;

- Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, 15-я Алма-Ата, 1987 г.; 16-я , Харьков, 1990 г.; 17-я , Ульяновск, 1993 г.;

- Всесоюзном семинаре "Современные методы аттестации методик выполнения измерений", Харьков, 1990 г.;

Всесоюзном межведомственном научном совещании "Исследование крупномасштабных и глобальных возмущений в ионосфере, вызванных локальным воздействием", Харьков, 1990 г.;

- III международном Суздальском симпозиуме УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами, Суздаль, 1991 г.;

- отраслевых научно-технических конференциях по прикладным проблемам распространения радиоволн, Москва, 1986 г., 1989 г.;

- III, IY научно-технических конференциях "Метрология в дально-метрии", Харьков, 1989г., 1992 г.;

- международной конференции "Физика в Украине", Киев, 1993 г.;

- международном семинаре "Физика космической плазмы", Киев, 1993 г.;

- международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магаитосферных процессов", Троицк, 1995 г.

- Всеукраинском научном совете HAH Украины по физике ионосферы, Харьков, 1996 г.;

- XXI Генеральной ассамблее европейского геофизичесского общества, Гаага, 1996 г..

Личный вклад. Автор диссертации принял участие в разработке методик измерения, в проведении экспериментов и обработке данных наблюдений, произвел анализ большого массива информации, выполнил вычисления на ЭВМ и истолковал полученные результаты. Разработал компьютерную программу, реализующую алгоритм регуляризации данных по Тихонову в обратной задаче метода частичных отражений. Предложил механизм питч-угловой диффузии энергичных частиц на области неоднородного квазипостоянного электрического поля.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка цитируемой литературы (75 наименований) и Приложения. Она содержит 119 страниц печатного текста, 6 таблиц и 50 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснованы актуальность выбранной темы исследования и ее научная новизна, сформулирована цель диссертации, показана научная и прикладная значимость работы. Здесь же сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту. Изложено краткое содержание работы.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере на поведение основных статистических характеристик частично отраженных (ЧО) радиосигналов с использованием банка данных, полученных в ХГУ за период с 1983 г. по 1995 г.. На основе анализа результатов экспериментов предложена эмпирическая модель вариаций статистических характеристик частично отраженных радиосигналов при возникновении крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, инициируемых мощным радиоизлучением

удаленных стендов. Также предпринят поиск проявлений таких возмущений в нецеленаправленных экспериментах

В разделе 1.1 дается общая характеристика накопленного экспериментального материала и приведены основные параметры технических средств, использовавшихся в ходе исследований.

Проведено более шестидесяти независимых серий экспериментов общей продолжительностью свыше 400 часов. В основном измерения выполнены в светлое время суток (с 10:00ЬТ по 17:00ЬТ) в осенне-зимний период (с октября по февраль включительно) с помощью стационарного комплекса метода ЧО ХГУ (г. Харьков). Отдельные экспериментальные регистрации получены с помощью подвижного комплекса ХГУ в районе г. Волгоград, а также на установке НИРФИ (г. Нижний Новгород). Исследовались возмущения, возникающие в Б-области ионосферы при работе нагревных стендов (эффективная излучаемая мощность РС ~ 10360 МВт) декаметрового и гектометрового диапазонов, расположенными вблизи г. Москва, г. Нижний Новгород и г. Тромсе (Норвегия), на удалениях от 100 до 2700 км.

В разделе 1.2 приведены результаты исследования крупномасштабных возмущений, возникающих при нагреве ионосферы мощным декаметровым радиоизлучением обыкновенной поляризации на значительном 800-2700 км) удалении от стенда. Обнаружено, что возмущение проявляется в виде: увеличения интенсив-ностей нормальных компонент ЧО сигналов в среднем в 2-4 раза (иногда до 10 раз), их дисперсии и интервала автокорреляции (от 1-2 с до 4-5 с) в слое с вертикальным размером ~ 3-10 км, обычно располагающимся в диапазоне высот ~ 70-100 км; уменьшении в этом слое и выше него коэффициента взаимной корреляции интен-сивностей необыкновенной и обыкновенной волн, а также их отношения. Основная реакция проявляется на начало работы стенда (первое включение) в виде общего увеличения интенсивностей рассеянных сигналов продолжительностью до 40-50 мин. На его фоне могут выделяться отдельные кратковременные (от десятков секунд до единиц минут) всплески интенсивности, идентифицированные как реакция на каждое включение и выключение, если продолжительность циклов нагрева и паузы между ними превышает 4-5 мин. Зафиксированные времена запаздывания возмущений составляют в среднем 12±2 мин для удаления Й а 800 км, 14±2 мин при К ® 1100 км и, по-видимому, 30-35 мин для И « 2700 км. Вариации ЧО сигналов уверенно фиксировались при низкой или умеренной солнечной активности (число Вольфа 50) и умеренной геомагнитной активности (индекс Ак ~ 10-40). Из анализа записей микропульсаций геомагнитного поля, выполненных на обсерватории ИФЗ РАН (пос. Борок, Ярославская обл.), установлено, что при нагреве

ионосферы мощным радиоизлучением увеличивается амплитуда флуктуаций геомагнитного поля в полосе частот 1,4 - 300 мГц, либо отдельных его спектральных компонент, на величину 1-4 нТл при удалении ~ 250-400 км от стенда. Время запаздывания возмущений по магнитным данным порядка 5-10 мин.

В разделе 1.3 исследуются особенности крупномасштабных возмущений (И « 800-1100 км), возникающих при нагреве плазмы мощным радиоизлучением необыкновенной поляризации на частоте, близкой к гирочастоте электронов в ионосфере ({ ~ 1,35 МГц). Выяснено, что возмущения при этом наблюдались только в вечерних и ночных сеансах нагрева. В первом случае имели место вариации интенсивности сигналов, частично отраженных на высотах 95-115 км, а во втором - уменьшение интенсивности ионосферного шума, попадающего в полосу пропускания приемника ДО » 50 кГц) зондирующей установки. Время запаздывания реакции ионосферы составляет около 15 мин (по первому максимуму увеличения интенсивности ЧО сигналов) и около 7-10 мин по вариациям уровня шумов. Эти возмущения также сопровождаются увеличением амплитуды микропульсаций геомагнитного поля.

Раздел 1.4 посвящен описанию эксперимента по изучению крупномасштабных возмущений в разнесенных пунктах. Расстояния между нагревным стендом "Сура" (г. Нижний Новгород) и зондирующими установками метода ЧО составляли 110 км (установка НИРФИ) и 1100 км (стационарный комплекс ХГУ). Измерения проводились в период высокой солнечной и умеренной геомагнитной активности С\У ~ 200-400, Ак ~ 10-20) и по данным, полученным в г. Харьков, нельзя сделать достоверных выводов о возникновении возмущений. На регистрациях, полученных вблизи г. Нижний Новгород, обнаружено возникновение как продолжительного (около 40 - 50 мин) увеличения интенсивностей рассеянных сигналов, так и нерегулярные кратковременные (0,5-2 мин) их всплески. Время запаздывания возмущений составляет 10±3 мин.

В разделе 1.5 представлены результаты поиска проявлений исследуемого эффекта в нецеленаправленных экспериментах с нагревными стендами, описанных в литературе. Оказалось, что по крайней мере в семи публикациях обнаружены эффекты, которые не объяснимы в рамках классических представлений о процессах в околоземной космической плазме при воздействии на нее мощного радиоизлучения: образование искусственных слоев ионизации, вариации параметров естественных слоев типа Е5, в том числе и на значительных удалениях от возмущающей установки, аномально большие 10 нТл у поверхности Земли) величины микропульсаций геомагнитного поля, возникающие при работе нагревного стенда и др.

В разделе 1.6 обобщаются экспериментальные данные предыдущих разделов и формулируются основные элементы эмпирической модели вариаций статистических характеристик ЧО сигналов при возникновении в D-области крупномасштабных возмущений, их зависимость от параметров возмущающего радиоизлучения и гелиогеомагнитной обстановки.

Раздел 1.7 содержит основные выводы по первой части работы.

Во второй главе диссертации разрабатывается и обосновывается алгоритм решения обратной задачи метода частичных отражений, использующий алгоритм регуляризации по Тихонову. С его помощью обнаружены достоверные вариации электронной концентрации в D-области, вызванные крупномасштабными возмущениями при нагреве ионосферы мощным радиоизлучением.

В разделе 2.1 приведены общие и упрощенные соотношения методики дифференциального поглощения, служащей для восстановления профиля электронной концентрации N(z) D-области, анализируется вид интегральных уравнений, к которым они сводятся и обосновывается целесообразность использования алгоритма регуляризации при их решении. Здесь же приведены основные выражения, получающиеся при рассмотрении обратной задачи радиозондирования как некорректной и изложен алгоритм ее решения с использованием регуляризации по Тихонову для стабилизатора достаточно общего вида.

Раздел 2.2 содержит обобщенные результаты численного моделирования, в котором исследуется влияние величины случайной погрешности экспериментальных данных (правой части интегрального уравнения) и систематической погрешности модельного профиля эффективной частоты электронных соударений v(z) (в конечном счете ядра интегрального уравнения) на погрешность восстановления N(z) при использовании традиционного алгоритма численного дифференцирования и алгоритма, использующего регуляризацию. Для последнего анализируется также влияние вида начального приближения N0(z) на качественные показатели результатов. В качестве сравниваемых параметров были выбраны поточечное среднеквадратическое отклонение восстановленного профиля N(z) от точного профиля и средний процент отрицательных значений в результирующем профиле. Первый параметр характеризует погрешность решения, а второй - его качество. Показано, что наименьшие относительные погрешности (порядка относительной погрешности правой части интегрального уравнения) и наилучшее качество решения имеют место при использовании алгоритма регуляризации с N0(z), совпадающим с точным профилем электронной концентрации. Использование алгоритма численного дифференцирования дает в 3-5 раз большую погрешность решения

и почти в 10 раз больше физически бессмысленных отрицательных значений в восстановленном профиле. Даже существенные (до 20%) систематические ошибки задания профиля \(г) не приводят к неустойчивости решения, а возникающие при этом погрешности результатов не превышают указанной величины.

Раздел 2.3 посвящен сравнительному анализу традиционного и предлагаемого алгоритмов решения обратной задачи при обработке реальных экспериментальных данных, полученных в невозмущенных условиях и при наличии возмущения естественного происхождения (вспышка на Солнце). Здесь окончательно конкретизируется вид стабилизатора, учитывающий реальные сильные высотные зависимости профилей N(2), и отношения сиг-

нал/шум на экспериментальных регистрациях, а также предлагается оптимальный способ выбора профиля начального приближения Ып(г). Результаты сравнительного анализа качественных показателей восстановленных профилей Ы(г), получающихся при использовании алгоритмов регуляризации и численного дифференцирования, в целом согласуются с результатами численного моделирования, проведенного в разделе 2.2. Кроме того установлено, что в спокойных ионосферных условиях оптимальное время усреднения интенсивностей регистрируемых ЧО сигналов должно составлять 5-6 мин. При этом суммарная погрешность, вызванная нестационарностью реального профиля и статистической погрешностью исходных данных минимальна. Выяснено, что использование в алгоритме регуляризации переопределенных данных дополнительно улучшает качественные показатели решения, особенно при больших погрешностях правой части.

Приведенные примеры вариаций N во времени на фиксированных высотах в переходное время суток и при наличии возмущения, вызванного вспышкой на Солнце 25.02.1991, подтверждают правильность сделанных выводов и эффективность разработанного алгоритма.

В разделе 2.4 с использованием этого алгоритма впервые получены профили электронной концентрации в нижней ионосфере при возникновении крупномасштабных возмущений. Установлено, что по крайней мере на расстояниях 100 - 800 км от места воздействия мощного радиоизлучения концентрация электронов может увеличиваться на 100% и более. Продолжительность этих увеличений достигает 5-15 мин, а время запаздывания - от 5 до 10 мин.

В разделе 2.5 сформулированы основные выводы по данной части работы.

Третья часть посвящена анализу и разработке элементов физической картины процессов, приводящих к возникновению крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере при локальном воздействии на нее мощного радиоизлучения, которая бы каче-

ственно и количественно объясняла результаты экспериментального исследования. Отправным пунктом в этой картине должны стать эффекты непосредственного воздействия мощного радиоизлучения на ионосферную плазму.

Раздел 3.1 содержит основные соотношения, описывающие возмущение температуры и концентрации ионосферной плазмы в пределах диаграммы направленности антенны нагревнош стенда. Отмечено, что эти первичные процессы приводят к генерации низкочастотных волновых возмущений акустической и электромагнитной природы, а также изменяют условия распространения излучений КНЧ-ОНЧ диапазонов в волноводе "земля-ионосфера". Первые, в силу малой скорости их распространения, не способны объяснить наблюдаемые в эксперименте времена запаздывания. Следовательно принципиальным моментом является генерация электромагнитных излучений и формирование дактов в ионосфере.

Анализу спутниковых экспериментальных наблюдений эмиссий электромагнитной природы посвящен раздел 3.2. Здесь основное внимание уделено анализу горизонтальных размеров возмущенной магнитной силовой трубки, в которой наблюдается усиление низкочастотных электромагнитных волн, а также их амплитуды. Установлено, что сигналы, связанные с демодуляцией мощной радиоволны, с трансформацией ее энергии в свистовую моду в области нижнегибридного резонанса, а также ОНЧ излучения естественного-происхождения регистрируются на удалении от 50 до 200 км от центра возмущенной магнитной силовой трубки в зависимости от их частоты (от 10 Гц до десятков килогерц соответственно), а амплитуда магнитной составляющей на высоте пролета спутника (< 1000 км) достигает десятков нанотесла при эффективной мощности возмущающей установки ~300 МВт. Особо отмечен эффект генерации крупномасштабного (с горизонтальным размером до 1,5 тыс. км) квазипостоянного электрического поля, имеющего амплитуду более 30 мВ/м. Таким образом можно утверждать, что указанные низкочастотные электромагнитные возмущения проникают в магнитосферу, а их амплитуда достаточна для эффективного взаимодействия с энергичными электронами (ее > 1 кэВ) и протонами (ер > 100 кэВ) радиационного пояса Земли.

В разделе 3.3 приведены выражения, описывающие генерацию низкочастотных электромагнитных волн в присутствии внешнего ионосферного тока динамо-области ионосферы (высоты 90-130 км). Эти соотношения описывают демодуляцию мощной радиоволны (эффект Гетманцева) и поляризацию возмущенной области плазмы (генерацию квазипостоянного электрического поля). Для вектора этого поля получены оценочные выражения, позволяющие рассчитать стационарное значение его амплитуды и направление в

зависимости от величины возмущения параметров плазмы, а также модуля его ротора. Показано, что величина вихревой составляющей электрического поля поляризации, существующей в течении времени становления и релаксации возмущенной области, быстро возрастает с увеличением ее размеров, и становится сравнимой с модулем градиента поля при размерах ~1000 км. Для практически важных случаев МГД волн и свистов, распространяющихся под произвольным углом к направлению вектора геомагнитного поля, приведены и проанализированы выражения для показателя преломления.

Раздел 3.4 посвящен рассмотрению возможных механизмов взаимодействия энергичных частиц, захваченных в радиационном поясе Земли с электромагнитными волновыми возмущениями, генерируемыми в области воздействия мощного радиоизлучения. Показано, что проникающие в магнитосферу волны свйстового диапазона способны эффективно взаимодействовать с энергичными (1-10 кэВ) электронами в рамках резонансной питч-угловой диффузии, вызывая их высыпание в ионосферу. Однако горизонтальный размер области высыпаний не превышает размера возмущенной силовой трубки ( 200-400 км), а восточное направление дрейфа электронов делает невозможным их появление западнее нагревного стенда. С другой стороны, электроны данного диапазона энергий производят основную ионизацию на высотах динамо-области, вызывая образование крупномасштабной неоднородности проводимости плазмы. Последняя в присутствии внешнего тока поляризуется и это квазипостоянное электрическое поле проникает вдоль геомагнитных силовых линий в магнитосферу в виде МГД волны. Предложен механизм и сделаны численные оценки взаимодействия этого поля с энергичными частицами (электроны с энергией 1-10 кэВ и протоны с энергией 100 кэВ - 1 МэВ). Показано, что при горизонтальном размере области локализации электрического поля порядка 100 км, оно оказывает существенное влияние на величину поперечной к геомагнитному полю составляющей энергии движения электронов (а значит и на их питч-угловое распределение) и пространственные характеристики потока частиц, т.е. возникают условия для дальнейшего роста размеров возмущенной области в восточном направлении. При размерах области порядка 500 км и более существенное влияние начинают испытывать и протоны указанных энергий, движущиеся в западном направлении. По-видимому, след высыпаний протонов на высоты D-области и регистрируется в эксперименте методом частичных отражений.

В разделе 3.5 сделаны выводы по результатам исследований, изложенным в третьей части.

В Заключении содержатся выводы по диссертационной работе в целом, а также указаны направления и задачи для дальнейшего исследования.

В Приложении приведены краткое описание и технические характеристики разработанного и изготовленного автором диссертации блока регистрации, использованного при проведении измерений на установке метода частичных отражений НИРФИ (г. Нижний Новгород).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На протяжении цикла солнечной активности (1983 - 1995 гг.) выполнен большой объем экспериментальных исследований вариаций статистических характеристик частично отраженных радиосигналов и радиошумов, возникающих в результате воздействия на ионосферу мощного нестационарного радиоизлучения. Возмущения осуществлялись радиосистемами гекто- и декаметрового диапазонов с эффективной мощностью от 10 до 360 МВт, расположенными в районе г.г. Нижний Новгород, Москва и Тромсе (Норвегия). Диагностика осуществлялась в районе г. Харькова, а в отделтных сериях экспериментов также вблизи г. Нижний Новгород и Волгоград. Расстояние от места нагрева до места диагностики изменялось от 100 до 2700 км.

2. Разработаны элементы эмпирической модели вариаций статистических характеристик частично отраженных радиосигналов, наблюдавшихся на удалениях ~100 - 1000 км от места воздействия на ионосферу.

3. Обнаружен эффект усиления в 1,5 - 2 раза или же до 2 - 4 нТл амплитуды микропульсаций горизонтальных компонент геомагнитного поля в диапазоне частот 1,4 - 270 мГц, сопровождающий вариации характеристик частично отраженных радиосигналов в результате удаленного воздействия на ионосферу мощного радиоизлучения.

4. Обнаружен эффект кратковременного ( ~ 5-10 минут) увеличения электронной концентрации не менее, чем в 1,5 - 2 раза в слое на высотах 70 - 90 км, что вызывает указанные выше вариации характеристик частично отраженных радиосигналов и, возможно, геомагнитного поля. Профили электронной концентрации вычислены с помощью разработанной компьютерной программы, использующей алгоритм регуляризации и позволяющей в 3-5 раз уменьшить погрешность восстановления профилей, а также расширить высотный диапазон применимости методики дифференциального поглощения. Реализованный в программе алгоритм близок к оптимальному и рекомендуется для использования при систематическом мониторинге нижней ионосферы методом частичных отражений.

5. Предложены и обоснованы элементы физической модели наблюдаемых эффектов и сводящиеся к следующему.

В ионосфере, в пределах диаграммы направленности антенны мощной радиотехнической системы образуется локализованная неоднородность проводимости плазмы, поляризующаяся в присутствии внешнего ионосферного тока. Это приводит к генерации крупномасштабного нестационарного электрического поля, проникающего вдоль геомагнитных силовых линий в магнитосферу. Взаимодействие захваченных частиц с этим пространственно неоднородным нестационарным электрическим полем поляризации приводит к их диффузии в конус потерь в фазовом пространстве и высыпанию, а значит к возникновению вторичных эффектов типа наблюдавшихся увеличений интенсивности частично отраженных. радиосигналов, роста концентрации электронов, усиления флук-туаций геомагнитного поля, росте горизонтальных размеров возмущенной области до 1000 км и др. Возможно также возникновение повторяющегося взаимодействия ионосфера-магнитосфера-ионосфера.

6. Проведенные исследования в целом свидетельствуют о возникновении стимулированных крупномасштабных ( ~100 - 1000 км) возмущений в нижней ионосфере и в геомагнитном поле, инициируемых воздействием мощного нестационарного радиоизлучения на околоземную плазму в результате проявления ранее малоизученных ионосферно - магнитосферных связей, посредником в которых выступают пространственно неоднородное квазипостоянное электрическое поле поляризации, возникающее первоначально в пределах диаграммы направленности возмущающей установки, и энергичные частицы, захваченные в радиационных поясах Земли.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гармаш К.П., Гритчин А.И., Мисюра В.А., Пивень Л.А., По-номаренко П.В., Черногор Л.Ф., Шемет А.С. Исследование возмущений нижней ионосферы методом частичных отражений.// Второй Всесоюзн. симпоз. по результатам исследования средней атмосферы. Тез. докл.- Москва, 1986.- С. 60 - 61.

2. Гармаш К.П., Гритчин А.И., Губарев А.А., Леус С.Г., Петров М.С., Похилько С.Н., Черногор Л.Ф., Юрин К.И. Влияние искусственных возмущений в нижней ионосфере, инициируемых мощным нестационарным радиоизлучением, на характеристики радиосигналов// Труды НИИР,- М.:Радио и связь, № 2, 1989.- С. 57 - 60.

3. Гармаш К.П., Гритчин А.И., Черногор Л.Ф. Влияние мощного радиоизлучения удаленного источника на характеристики рассеянных в ионосфере радиоволн.// Всес. семинар

"Распространение радиоволн в ионосфере". Калининград, июнь 1989 г. Тез. докл. -М.:Радио и связь, 1989. - С. 61-62.

4. Гармаш К.П., Черногор Л.Ф. Генерация и распространение электромагнитных волн, связанных с вариациями проводимости.// Всес. семинар "Распространение радиоволн в ионосфере". Калининград, июнь 1989 г. Тез. докл. -М.:Радио и связь, 1989.- С. 71.

5. Гармаш К.П., Черногор Л.Ф., Шварцбург А.Б. Возникновение крупномасштабных возмущений в ионосфере, инициируемых мощным нестационарным радиоизлучением.// Компьютерная оптика,- 1989,- N6. -С. 62-71.

6. Гармаш К.П., Леус С.Г., Похилько С.Н., Черногор Л.Ф. Измерение характеристик радиошумов в диапазоне 1-30 МГц.// Всес. семинар "Современные методы аттестации методик выполнения измерений", Харьков, 18-20 апреля 1990 г. Тез. докл. -Харьков, 1990.- С. 108.

7. Гармаш К.П., Черногор Л.Ф. Регуляризующий алгоритм решения обратных задач радиозондирования околоземной космической плазмы.// Всес. семинар "Современные методы аттестации методик выполнения измерений", Харьков, 18-20 апреля 1990 г. Тез. докл. -Харьков, 1990.- С. 108.

8. Гармаш К.П. Регуляризация обратной задачи в методе частичных отражений.// "Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника". -Харьков: Основа.- 1991- № 355- С. 61 - 64.

9. Chernogor L.F., Garmash К.Р., Gritchin A.I., Gubarev A.A., Kostrov L.S., Leus S.G., Misyura V.A., Pakhomova O.V., Pokhil'ko S.N. Complex radiopbysical investigations of large-scale disturbances in the ionosphere, initiated by powerful radio-frequensy radiation.// Ill Suzdal URSI Sympos. on Modification of the Ionosphere by Powerful Radio Waves (ISIM-3). -Moskow, 1991.- P. 121-122.

10. Chernogor L.F., Garmash K.P., Leus S.G., Pakhomova O.V., Pokhil'ko S.N., Sorokolet Yu.Ye. Experimental investigations of variations of characteristics of radio signals and radio noise indifferent ranges, conditionned by disturbances in the ionosphere.// Intern. Conf. "Physics in Ukraine", Kiev, 22-27 June 1993, Proc. Contributed Papers. Plasma Physics. -Kiev, 1993.- P. 58 - 62.

11. Chernogor L.F., Garmash K.P., Leus S.G., Pakhomova O.V., Pokhil'ko S.N., Sorokolet Yu.Ye. Phenomenon of arising stimulated localized and large-scale disturbances in the ionosphere under the influence of powerful radio-frequency radiation.// Intern, conf. "Physics in Ukraine", Kiev, 22-27 June 1993, Proc. Contributed Papers. Plasma Physics. -Kiev, 1993,- P. 62 - 66.

12. Гармаш К.П., Гритчин А.И., Черногор Л.Ф. Исследование крупномасштабных возмущений в ионосфере, вызванных мощным радиоизлучением, методом частичных отражений в разнесенных

пунктах.// XVII Конф. по Распространению Радиоволн. Ульяновск, 21 - 24 сентября 1993 г. Тез. докл. -Ульяновск, 1993.- С. 18.

13. Гармаш К.П., Леус С.Г., Похилько С.Н., Ткачук A.A., Чер-ногор Л.Ф. Вариации характеристик ионосферных сигналов радиостанций в диапазоне частот 3 кГц - 30 МГц, вызываемые воздействием мощных локальных источников энерговыделения.// В кн.: Доклады IV Науч.-техн. конф. "Метрология в далыюметрии" (20-21 октября 1992 г). Харьков, ГНПО "Метрология".- Харьков, 1993- С. 71 - 75.

14. Гармаш К.П., Леус С.Г., Похилько С.Н., Черногор Л.Ф. Программно-аппаратные средства для оперативной оценки параметров атмосферно-ионосферных каналов дальнометрии.// В кн.: Доклады IV Науч.-техн. конф. "Метрология в дальнометрии" (20-21 октября 1992 г). Харьков, ГНПО "Метрология".- Харьков, 1993.- С. 88 - 93.

15. Гармаш К.П., Леус С.Г., Пахомова О.В., Похилько С.М., Со-poraxniT Ю.С., Чорногор Л.Ф. Експериментальне дослщження спо-творень характеристик радюсигнал1В та радюшугмв р1зних дзапа-30HÍB, обумовлених збуренням в юносфер!// Укр. астрон. асоц. 1н-формащйний бюлетень.- Кшв, 1993.- N4,- С. 40 - 41.

16. Гармаш К.П., Леус С.Г., Пахомова О.В., Похилько С.Н., Со-роколет Ю.Е., Черногор Л.Ф. Экспериментальное исследование крупномасштабных возмущений в околоземной плазме, инициируемых мощным радиоизлучением.//Физика космической плазмы: труды международного семинара, Киев, 6-10 июня 1993 г.- Киев, 1994.- С. 182 - 191.

17. Гармаш К.П., Гритчин А.И., Леус С.Г., Пахомова О.В., Похилько С.Н., Черногор Л.Ф. Исследование реакции ионосферной плазмы на воздействие подземных, наземных, воздушных взрывов и землетрясений. // Физика космической плазмы: труды международного семинара, Киев, 6-10 июня 1993 г.- Киев, 1994,- С. 151 -160.

18. Tyrnov O.E. , Garmash K.P., Gokov А.М., Gritchin A.I. , Dorohov V.L., Kontzevaja L.G., Kostrov L.S., Leus S.G., Martynenko S.I., Misyura V.A., Podnos V.A., Pokhil'ko S.N., Rozumenko V.T., Somov V.G., Tsymbal A.M., Chernogor L.F., Shemet A.S. The radiophysical observatory for remote sounding of the ionosphere.// Turkish J. of Physics.- 1994,- V. 18, № 11.- P. 1260 -1265.

19. Гармаш К.П., Черногор Л.Ф. Возможное проявление маг-нитосферно - ионосферного взаимодействия, стимулированного воздействием мощного радиоизлучения.// Междунар. симпоз. "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов". Тез. докл. -М.: ИЗМИРАН, 1995,- С. 29-30.

20. Гармаш К.П., Черногор Л.Ф. Влияние вихревой компоненты низкочастотного электрического поля, генерируемого при нагреве ионосферы мощным радиоизлучением, на параметры взаимодействия волна-частица.// Междунар. симпоз. "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов". Тез. докл.-М.: ИЗМИР АН, 1995.- С. 30-31.

21. Гармаш К.П., Похилько С.Н. Автоматизация магнитомет-ри-ческих измерений в радиофизической обсерватории (РФО) ХГУ. // Материалы 2-й конф. "Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе", 23-25 января 1996 г. -Харьков, 1996 - С. 32.

22. Гармаш К.П., Черногор ЛФ. Профили электронной концентрации Б-области ионосферы в спокойных и возмущенных условиях по данным частичных отражений.// Геомагнетизм и аэрономия.- 1996,- Т. 36, N2.- С. 75 - 81.

Гармаш К.П. Исследование крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере, вызванных мощным радиоизлучением, методом частичных отражений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. Харьковский государственный университет Министерства образования Украины, Харьков, 1996.

Диссертация содержит результаты 22 научных публикаций по экспериментальному и теоретическому исследованию крупномасштабных возмущений, возникающих в околоземной космической плазме при воздействии на нее мощного нестационарного радиоизлучения. В работе сформулированы основные пространственно-временные характеристики возмущения электронной концентрации D-области ионосферы и вариаций статистических пар-метров частично отраженных радиосигналов. Предложен механизм, качественно и, отчасти, количественно объясняющий наблюдаемое явление.

Ключевые слова: ионосфера, магнитосфера, мощное радиоизлучение, метод частичных отражений, магнитное поле Земли, регуляризация по Тихонову, электронная концентрация, динамо-эффект, электрическое поле поляризации, взаимодействие волна-частица.

Garmash К.Р. The Investigation of Large-Scale Disturbances in the Lower Ionosphere Caused by the Powerful Radio Waves Using the Partial Reflection Technique. Thesis in partial fulfilment of the requirements for the Candidate of Sci. (Phys. and. Math.) degree. Kharkiv State University, Department of Education of Ukraine. Kharkiv, 1996.

The Thesis contains the results of 22 scientific publications connected with the experimental and theoretical investigation of large-scale disturbances, arising in the near-to-Earth plasma under the influence of the powerful non-stationary radio waves. The main spatial and temporal characteristics of disturbances in the electron concentration of the ionospheric D-region and variations of statistical characteristics of partially reflected radio signals are formulated in the given work. The mechanism which can explain the observable phenomenon qualitatively and, partly, quantitatively is offered.

Key words: ionosphere, magnetosphere, powerful radio waves, partial reflection technique, magnetic field of the Earth, regularization by Tikhonov, electron concentration, ionospheric wind dynamo, polarization electrical field, wave - particle interaction.

Ответственный за выпуск Гармаш К.П.

Подписано в печать 21.07.96 г. Формат бумаги 60x80/16.

Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ООО "КиПи-Принт", Харьков-77, пл. Свободы,5, Госпром