Комплексная радиофизическая диагностика и прогнозирование ионосферных и радиационных возмущений, вызванных солнечными вспышками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

<л? аь

Государственный комитат науки и высшей школы РСФСР САНКТ-ПЕТЕБУРГСКШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 621.396. + 650,388

Козин Игорь Дмитриевич

КОМПЛЕКСНАЯ РАДОФЮИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА Ш ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗМУЩЕНИЯ. ВЫЗВАННЫХ СОЛНЕЧНЫМИ ВСПЫШКАМИ

01,04.03. - радиофизика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург, 1991

\ ' Г ' '

Работа выполнена в Институт© Ионосферы Академии наук Казахской ССР

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Д.В.Благовещенский

доктор физико-математических наук, профессор Г. С, Иванов-Холодный

доктор физико-математических наук, профессор М.И. Пудовкин

Ведущая организация: Харьковский Радиоастрономический институт УкрССР

Защита состоится " " Срыиз^ 1991 года в 15" часо на заседании специализированного совета Д. 063.57,36 п защита диссертации на соискание ученой степени доктор физико-математических наук при Санкт-Петербургском Госу дарственном Университете по адресу: 199034, г. Санкт-Пе тербург. Университетская наб. 7/9,

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотек! им, М. Горького при Санкт-Петербургском Государственно! Университете.

Автореферат разослан " 16 " М 1991г.

Ученый секретарь

специализированного совета, кандидат физико-математических наук

С. Т. Рыбачек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение, Огромная важность к практическая значимость изучения околоземного космического пространства (СЖП) явились причиной бурного развития солнечно-земной физики - науки, родившейся на стыке физики Солнца, плазмы, космоса и земной атмосферы. Сложность решаемых проблем отдает предпочтение комплексным исследованиям взаимосвязанных явлений или эффектов различной природы разнообразными методами и техническими средствами. Круг интересов автора сводится к проблемам солнечно-земной физики в разделах; солнечные вспышки, возмущения радиации, магнитного поля Земли, (МПЗ), ионосферы и распространение радиоволн.

Актуальность проблемы. Наиболее важными и актуальными аспектами исследований взаимодействия возмущенной солнечными вспышками радиации о магнитосферой и атмосферой Земли являются прогноз радиационной . безопасности (обстановки) в ОКП, возмущений ионосферы и условий распространения радиоволн.

Долговременное пребываение человека на борту космических кораблей и, тем более, в экспериментах, связанных с выходом в открытый космос, ставят в ряд крайне актуальных задач вопросы диагностики и прогнозирования радиационной обстановки. Особое место должны занять наземные способы регистрации, как наиболее доступные, недорогостоящие й постоянно действующие.

Всевозрастающая потребность народного хозяйства в организации каиаяов связи и улучшении качества их работы ставит в ряд актуальных задач решения проблемы прогнозирования ионосферных возмущений, в том числе при солнечных вспышках. Из широкого круга возмущений радиации и ионосферы значительная часть связана с солнечными вспышками. Систематизация и синтез причинно-следственных взаимосвязей, пространственно- временных характеристик явлений в ионизирующих излучениях и соответствующих эффектов в ионосфере могут позволить в значительной мере улучшить диагностику и прогнозир^ание радиационной обстановки, ионосферных параметров и условий распространения радиоволн. До настоящего времени нет четко сформулированной концепции, объединяющей временную и пространственную взаимосвязь

всего разнообразия явлении в ионизирующих излучениях и эффектов в ионосфера для данной ситуации, которая позволила бы исследовать взаимные диагностические и прогностические функции. Практические исследования ионосферы оказались резко дифференцированными по отдельным явлениям в ионизируощих излучениях (рентгеновская вспышка, ШП, высыпание энергичных частиц, рассматриваемых как самостоятельные явления). Таков подход за-ч&стуо приводит к неоднозначным и ошибочным заюточениям, затрудняет обнаружение статистических закономерностей.

Цель работы заключается в разработке теоретических, эмпирических и технических основ радиофизической диагностики и прогнозирования пространственно-временных характеристик средяеширотной ионосферы и ионизирующих излучений при возмущениях, вызванных солнечными вспышками, на основе:

1. Создания модели пространственно-временной структуры, возмущений ионизирующих излучений электромагнитной и корпускулярное природы как единого многокомпонентного процесса и построения физической модели причинно-следственных взаимосвязей излучений с ОКП,

2. Создания аппаратурно-лрограммной системы для анализа взаимодействий радиация, атмосферы я радиосигналов, диагностики состояния ОКП и энергетики.

Разработки аналитической модели прогноза пространствен-новремэккых возмущений ионосферной плазмы как функции мощности и гелиокоордкнат вспышки.

4. Разработки модели передачи энергии внекагнитосферных протонов среднеширотной ионосфере.

5. Организации и проведения экспериментальных наблюдений.

6. Оценки корректности прогнозирования радиационных и ионосферных возмущений при солнечных вспышках.

Научная новизна. Избранная цель исследований потребовала решения следующих существенно новых и взаимосвязанных задач:

1. Разработки концепции диагностики и прогнозирования временных, пространственных и энергетических характеристик ионосферы и ионизирующих излучений, возмущенных солнечными вспыш-

¡сами, позволяющих дать времэннуо последовательность возмущения излучения различной природы, соответсвуоадй вид ионосферной реакции, а также с помощью ионосферных измерений представить оценки спектральных и энергетических параметров самих излучений, Предложения к использованию в ионосферных исследованиях комплекса радиационных возмущений как единого процесса впервые даны автором. .

2. Разработки и реализации способа прогнозирования солнечных вспышек на основе регистрации микровариаций нейтронной компоненты космических лучей, подтвержденного авторским свидетельством СССР на изобретен!».

3,Создания адаптивной к изменениям геофизической ситуации модели нижней ионосферы, позволявшей по дискретным данным об электронной концентрации определять спектральные и энергетические параметры возмущений.

4. Разработки и доведения до аналитических выражений модели прогноза возмушений ионосферы по данным о гелиокоординатах и мощности солнечных вспышек.

5, Разработки физической модели передачи энергии внемаг-1штоеферных потоков космических лучей в среднеширотнуо ионосферу через внутренний радиационный пояс к ее обоснование.

Научная л прак т и ческая ценность работы.

1. Разработаны методы прогнозирования солнечных вспышек и модели последующих возмущений ионизирующей радиации волновой и корпускулярной природы, вызывавших вариации ионосферной плазмы и соответствующие изменения условий распространения радиоволн.

2. Разработаны методы диагностики степени и динамики ионосферных возмущений по данным регистрируемой радиофизической информации, необходимых в задачах навигации и местоопределе-няя. ' '

3. Разработаны способы диагностики параметров возмущения ионизирующих излучений на основе создания адаптивной модели нижней ионосферы.

4. Созданы предпосылки для исследований механизмов ускорения заряженных частиц в межпланетном пространстве и в атмосфе-

ре Солнца.

5. Использование созданной ионосферной модели позволила в кратчайшие сроки (1986-1988 г. r.J дать заключение о состоянии радиовещания в Казахстане и разработать рекомендации по оптимизации размещения и излучаемым мощностям передатчиков в ДВ- и СВ- диапазонах. При внедрении рекомендаций годовой экономический аффект составит 20 млн. кВт/час электроэнергии.

Практическая реализация. Основная работа по теме диссертации выполнена автором в рамках пяти тем " Академии Наук КазССР, программы "йнтенсификация-90", двух тем по заданию Госкомитета СССР по науке и технике, трех тем по линии КА.ПГ в качества их научного руководителя или ответственного исполнителя. Автором получено В актов внедрения, 3 автор-ких свидетельства СССР на изобретения, опубликовано 63 научные статьи и 2 монографии.

Апробация работы. Результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на:

1. Межведомственных семинарах по распространению километровых и более длинных радиоволн в 1979-90 г.г.

2.Семинарах КАПГ по солнечно-земной физике 1976,1979 г.г.

3.Всесоюзных конференциях , по распространению радиоволн 1972, 1975, 1976, 1984 , 1937 и 1990 г. г.

4.Всесоюзных конференциях по космическим лучам 1977, 1979

г, г.

6. Семинарах КАПГ по космическим лучам 1978, 1980, 1984 г.

6. Международных конференциях по космическим лучам 1977, 1981, 1983 г, г.

7.Всесоюзных конференциях по ионосфере 1965, 1974 г.г.

8. Всесоюзном семинаре по дрейфам, ветрам и неоднороднос-тям в ионосфере в 1970 г.

9. Всесоюзном семинаре по ионосферному моделированию 1976г.

10. Всесоюзном симпозиуме по итогам исследований средней атмосферы 1986 г.

Работа состоит из введения, четырех частей и заключения.

Во введении диссертации рассмотрены вопросы актуальности проблемы, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая ценность, приводится информация о практической реализации и апробации материалов исследований.

Здесь же дана модель комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках, включающая увеличение интенсивности электромагнитного и корпускулярного излучения, выход плазменной неоднородности с вмороженным магнитным полем во временной последовательности: 1)вспышку рентгеновского излучения; 2)вспышку солнечных космических лучей (протоны релятивистских энергий); 3)приход субрелятивистских солнечных протонов; 4)приход ударной волны; б) уменьшение интенсивности галактических космических лучей (Форбуш-эффект). В максимума Форбуш-эффекта и возмущения магнитного поля Земли, (МПЗ) имеют место следующие явления: 6)измэнение порога жесткости геомагнитного обрезания спектра космических лучей; 7)вторнение в атмосферу энергичных частиц из областей захваченной радиации. При совпадении траектории Земли и плазменной неоднородности, вышедшей из Солнца при вспышке, наблюдается 8)приход быстрых солнечных протонов. В приведенной временной последовательности прихода компонент комплексного возмущения радиации следует ожидать соответствующие эффекты в ионосфере. Предлагается приведеннуо модель генетически связанных отдельных компонент комплексного возмущения радиации электромагнитной и корпускулярной природы при солнечных вспышках рассматривать как единый процесс, что особенно важно при наложении возмущений от различных вспышек. Планируется рассмотрение взаимодействия каждой из восьми компонент комплексного возмущения радиации при солнечной вспышке в областях 0 и Г ионосферы с выявлением и анализом всех возможных эффектов, их проявлений в параметрах радиоволн различных диапазонов и разработка алгоритмов взаимной диагностики и прогнозирования.

В первой. части диссертации, состоящей из двух глав, приведено описание созданной аппаратурно - программной системы (АПС) для анализа взаимодействия, прогноза и

- а -

диагностики характеристик радиации, магнитосферы, нижней ионосферы к радиоволн, АПС действует по принципу использования минимального достаточно-необходимого числа известных данных для определения характеристик искомой компоненты (радиации, или ионосферы или радиосигнала), АПС состоит из 6 блоков: 1)адаптивная модель нижней ионосферы, 2Измерительная установка, 3)программы моделей распространения радиоволн в ионосфера и вдоль земной поверхности, 4)набор экспериментальных или расчетных данных амплитудно-фазо-частотных характеристик (АФЧХ), 5)банк данных высотного распределения электронной концентрации" [a(h)3 и эффективной частоты соударений тЯМ , 6)набор данных характеристик возмущенных ионизирующих излучений.

АПС дает ряд вариантов взаимодействия отдельных блоков или их суммы для решения прямых и обратных задач, наиболее важными из которых дпя решения поставленной цели являются:

1, Расчет АФЧХ радиосигналов из данных [е(Ч1 и т) (М профилей с помощью модели распространения радиоволн в спокойных и возмущенных условиях.

2,Оценка корректности используемых моделей распространения радиоволн из сравнения расчетных и экспериментальных АФЧХ.

3. Коррекция параметров коштонент адаптивной модели нижней

ионосферы при сравнении экспериментальных и расчетных значений &(Ц)} .

4. Расчет истинных значений Cft(hjVI на дискретных высотах из данных АФЧХ радиосигналов с помощью моделей ионосферы и распространения радиоволн.

б. Расчет возмущенного электромагнитной или корпускулярной радиацией (или их суммой) [eCMl -профиля.

6. Расчет спектральных характеристик возмущенной радиации электромагнитной или корпускулярной природы по экспериментальным данным -профилей.

?. Расчет спектральных характеристик возмущенной радиации из экспериментальных данных АФЧХ радиосигналов.

Качество любого из 6 блоков определяет надежность работы всей АПС, число решаемых вариантов при необходимости можно расширить.

Основной задачей созданной адаптивной модели нижней ио-

носферы является расчет высотных профилей L^l и т) для спокойных и возмущенных условий. Решается уравнение ионизационно-рекомбинационного цикла для квазинейтрального состояния ионосферы, когда концентрация отрицательных и положительных зарядов с заданной точностью равны

1МчЫМ"]-*[е1. (1)

Исходными данными модели в спокойных условиях являются: географические координаты; дата; врэмя; солнечная активность; азимутальный и вертикальный угла направления расчетов. Учитываются возмущенные фоновые ситуации: затмение Солнца, вариации профиля окиси азота, возникновение спорадической зимней аномалии. При возмущениях электромагнитной или корпускулярной радиации при солнечных вспышках предусмотрено введение их спектральных характеристик. Модель представляет в аналитическом виде пространственно-временные вариации нейтральных компонент:^, 0,0210г.0лд),05,мэ)^0г,с02,н2.0 . плотности, суммарной копцен-трациии температуры атмосферы. Схема фотохимических реакций модели включает 6 положительных О^.МО^ O^H^NQ-H^O, , N0^0)^)4 отрицательных иона 0" Og, CQj, MQj , а также электрон & . Увеличение числа ионов-связок и отрицательных ионов не сказывается в существенном изменении величины расчетной Cfil . Особенностью программы является введение в уравнения ионизаци-снно-рекомбинационйого цикла коэффициента относительного изменения поглощаемой атмосферой энергии излучений КОТн, Проведена проверка эффективности управления скоростями реакции разрушения ионов-связок и отрицательных ионов при рентгеновских вспышках в сравнении расчетных и экспериментальных профилей коэффициентов потерь. Показано, что введенный коэффициент К«« значительно улучшает сходимость расчетных и реальных ионосферных параметров для различных широт, времени года, суток и солнечной активности.

Кроме расчетов EeCUJl- и профилей программа ионосферной модели решает ряд других важных задач.

Для известных значений на дискретной высоте hj

модель может рассчитать концен.радию неизвестной нейтральной компоненты атмосферы. Находится такое значение [Mil , при котором расчетная величина )j| равна экспериментально измерен-

ной. Этот алгоритм использован автором для создания аналитической модели пространственно-временных вариаций концентрации окиси азота [N01. -

Модель для известных [е(Ь>] рассчитывает величину дополнительной скорости ионизации, создаваемой возмущенным источником ионизирующей радиации электромагнитной или корпускулярной природы, а далее и энергетические спектры этого излучения.

Аппаратуряо-техническая часть АПС состоит из комплекса средств диагностики ОКП и измерения параметров радиосигналов. Б него входят: 1. Радиоастрономический спектрограф для регистрации интенсивности радиоизлучения Солнца на частотах 2-4 ГГц, созданного на базе ТНА-57 "Орбита"; 2. Магнито-вариационныа станции; 3. Станция космических лучей, состоящая из нейтронного супермонитора и азимутального иезонного телескопа; 4, Система измерений компонент сигналов о геостационарного спутника, ис-. пользуемая для расчетов полной электронной концентрации в ионосфере, Оригинальная измерительная установка позволяет в автоматическом режиме регистрировать многолучевость распространения сигналов, разделять сигналы синхронных радиовеаательных станций, а также измерять амплитуды, фазы и доплеровскиэ смещения частоты сигналов каждой станции сети в отдельности. Точность измерений частотного спектра составляет 0» 01 Гц. Кроме того, установка : дублирует ранее известные методы измерений: поглощение ионосферного сигнала (метод АЗ), разработанный автором метод условной фазы,, метод квазнфазовых высот, Остановка через систему" сопряжения КАЫАК связана с ЭВМ и позволила восстановить измерения параметров радиоволн ДВ- и СВ- диапазонов, прерванные появлением синхронного радиовещания.

Для расчетов АФЧХ сигналов используется программа расчетов матрицы коэффициентов отражения, решающая уравнения Макс-ветла для плоской монохроматической волны, распространяющейся в плоскослоистой магнитоактивной ионосфере. Модельные эксперименты позволили сделать важное заключение о том, что высотный интервал ионосферы, участвующий в отражении основной части энергии (70 Я) ДВ- сигналов, достаточна мал (порядка 0,2Л ) и, следовательно» фазовые и доплеровские измерения можно использовать для определения как вариации высоты отражения, так и

- 11

электронной концентрации а ней .

АПС позволяет, исходя из возможностей • исследователя, менять любой из составляющих блоков.

Во второй частя диссертации, также состоящей из двух глав, рассмотрены вопросы взаимной диагностики и прогнозирования при. взаимодействии компонент комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках с нижней ионосферой и радиоволн различных диапазонов.

Глава 3 посвящена исследованиям эффектов рентгеновских вспышек в ионосфере. Рассмотрена возможность прогноза солнечных вспышек по изменениям спектров микровариаций космических лучей. В спектре за 4-6 часов перед вспышками начинает возрастать амплитуды гармоник с периодами около 6,50 и 160 минут, достигая максимума в момент вспышки. Колебания с такими периодами наблюдаются и в потоке электромагнитной радиации Солнца, юс амплитуда также возрастает перод вспышками п пере- ' дается в вариации космических лучей через изменение плотности атмосферы и возмущения магнитного поля Земли. Увеличение амплитуды спектральных пиков КЛ наблюдается всегда перед вспышками, но нэ каждое событие сопровождается ими. Данный способ краткосрочного прогноза"солнечных вспышек подтвержден авторским свидетельством СССР на изобретение и является дополнением к существующим методам.;

На обширном экспериментальном материал© по распространению радиоволн дан анализ эффективности различных способов ре-гистации рентгеновских вспышек. Показано,, что измерения внезапных аномалий поля ,(БГА) в ДВ- диапазоне и фазы (БРА) в СДВ-диапаэоне обеспечивает практически 100 %-ное отождествление событий. Меньшей вероятность© регистрации вспышек обладают: измерения поглощения КБ- сигналов ШИП от 48 до 100 %, рио-метрические измерения поглощения космических радиошумов (БСИА) - 15-50 % в зависимости от сезона и порога интенсивности вспышки. Следует отметить, что лишь 80 % рентгеновских вспышек сопровождается появлением солнечных хр^мосферных вспышек в оптическом диапазоне.

При анализе непосредственного воздействия рентгеновских

вспышек на ниною ионосферу и распространение радиоволн проведенное сравнение экспериментально полученных я.расчетных про- филей электронной концентрации для известных параметров ; излучений показало их удовлетворительное ехоадение и подтвердило корректность использованной нами адаптивной модели. На основе проведенных исследований . зависимости - реакции ионосферы и пространственного распределения напряженности поля радиоволн ДВ диапазона от вида спектра рентгеновской вспышки для различных сезонов, широт и длин трасс даио удовлетворительное объяснение обнаруженным различным заключеаиям, полученным в Болгарии (Г.Несторов) и в Индии (А, Митра). На характер изменения БРА наибольшее влияние оказывает вид довспышэчного профиля электронной концентрации [еСК\}0 . Поэтому вид БРА на высоких широтах.(Аллуи - София, 164 кГц) в основном, зависит от сезона ввиду влияния эффекта зимней аномалии, а на низких широтах. (Ташкент -Дели, 164 кГц) - вид спектра вспышки.

В экспериментах ' при вертикальном зондировании обнаружено, что при больших зенитных углах' ( в переходные часы суток) в случаях регистрации рентгеновских вспышек наблюдается появление низколежащих (ниже 100 км) слоев повышенной ионизации, называемых спорадическими слоями Е. Проведенные для таких условий расчеты вариации высотных профилей [о] .показали, что вспышки образует в верхней части области Р высокоградиентный слой повышенной ионизации, который может быть отождествлен с низколежащим спорадическим слоем. . Годовая статистика отмечает высокую вероятность такого эффекта, которая в весенний период имеет минимум и составляет 60 %, зимой - 80 % и летом около 100 й.

По фазовым вариациям ДВ- сигналов обнаружено, что при достаточно мощных солнечных вспышках в нижней ионосфере происходит генерация акустического-гравитациояных волн. Из анализа линеаризированных уравнений газодинамики, описывающих иагрев-ныэ возмущения атмосферы, показано, что для эффектов солнечных вспышек волновые возмущения в вертикальной структуре будут близки к частоте Брента - Еяйесяля и для атмосферы области Б имеют период около 8 минут. Спектры фазовых вариаций показали аналогичные результаты. Анализ динамических спектров микроаа-

риаций нейтронной компоненты космических лучей в период солнечных вспышек также показывает наличие возрастания амплитуд с периодам« менее 15 минут и более 100 минут,

В конца главы представлены алгоритмы и примеры их экспериментальной реализации в диагностике рентгеновского излучения солнечной вспышки из данных вариаций высот отражения радиосигналов ДВ- диапазона и электронной концентрации на отражает« уровнях. Спектр рентгеновской вспышки определяется в виде степенной функции Л

(2)

а скорость ионизации на дискретных высотах

как

Amin

Истинные bj,k) определяется программой адаптивной

модели ионосферы из условия выбора расчатной концентрации эло-ктронов [slty.k)] , равной зарегистрированной в эксперименте. Отношение на различных высотах согласно (2) и (3) будет функцией лишь показателя степени |> .что и позволяет определить его значение, а далее из выражения (3) и величину нормированного коэффициента & в спектре 33j.CE») .'Корректность расчета спектров вспышки с помовдьо АПС проверена на моделях А. Митры. Совпадения рассчитанных из возмущенных [e(h)J- профилей Dj(.£x) с модельными вполне удовлетворительное, особенно при мощных возмущениях радиации. Осуществлена диагностика по данным вариаций ДВ- сигналов на двух частотах. Квазифазовые вариации сигналов использованы для оценки изменений [e(h)]- профиля и далее по описанному выше алгоритму произведена диагностика DjlE * \ для различных по жесткости спектров. Результаты наземных радиофизических измерений (вариант 7 работы АПС) спектров вспышек по параметру ^ сравниваются с данными ракетных измерений, расхождение при этом не превышает t 0.2, что говорит о корректности способа диагностики рентгеновского спектра по данным о распространении радиоволн ДВ- диапазона.

Таким образом в главе 3 рассмотрены вопросы взаимной диагностики параметров ионосферы, радиоволн и рентгеновского из-

лучения - первого возмущения радиации в комплексном возмущении при солнечных вспышках.

Б г л а в в -4 приведены результаты.исследований по взаимной диагностике и прогнозированию возмущений компонент корпускулярной радиации, нижней ионосферы и параметров радиоволн, наблюдаемых после солнечных вспышек.

Для оценки влияния вспышки солнечных космических лучей на нижнею ионосферу и распространение радиоволн рассчитаны изменения амплитуд пространственного распределения напряженности поля в диапазоне частот 150-550 кГц для различных часов суток в средних широтах. Выявленные закономерности в вариациях амплитуд ДВ- и СБ-сигналов таковы: 1)для большинства.ситуаций амплитуда сигнала уменьшается; 2)наибольшеэ отклонения в переходные часы суток и 3)с уменьшением частоты и увеличением длины трассы распространения реакция сигнала возрастает. В реаль--ном эксперименте сигнал 164 кГц на трасса Ташкент - Новоказа-линск при вспышке СКЛ 8.12.82 г., когда возрастание интенсивности протонов достигла 90 % уменьшил амплитуду пространственной волны на 6.5 дБ. Очевидно, что для любых ситуаций в вариациях космических лучей солнечного и галактического происхождения можно найти такое возмущение 51(р) , которое даст совпадение реальных я расчетных АФЧХ. При этом, -используя данные вариация вторичных компонент Ю1 (например нейтронной),можно уточнить коэффициены связи первичных и вторичных частиц. Для этого зга периода вариации (БРА) фазы СДВ- сигналов 10,2 кГц на трассе'Япония - Хабаровск достигли 50 сц. Полагается, однако, что столь существенные отклонения связаны с изменением вклада различных мод распространения сигналов. Алгоритм диагностики вспышечного спектра солнечных протонов по данным вариаций ионосферных параметров и характеристик распространения радиоволн подобен ситуации со вспышкой рентгеновского излучения. Искомый спектр протонного эквивалента СКЛ задается уравнением _ |

(4)

а дополнительная скорость ионизации

Отношение рассчитанных из данных электронной

концентрации на различных геомагнитных широтах является функцией показателя степени \ спектра (4). В программе находится такое значение \ , при котором отношение интегралов в правой части (5) с порогами энергии геомагнитного обрезания Eaj и Еек равнялось отношении соответствующих дополнительных скоростей ионизации. Вычисление нормировочного коэффициента интенсивности СКЛ d из уравнения (5) не составляет трудностей. Практическая реализация варианта 7 работы АПС по определению Dj£p) осуществлена на данных измерений поглощения космических радиошумов, зарегистрированных риометрами на ст. Kevo и Sodankyla 7.05.78г. на частотах 27.6 , 40.0 и 50 МГц, Данные пересчитаны в соответствующие изменения [е] и л <Ц(э) . Сравнение расчетных значений аргументов спектра d и \ (4) с полученными на ИСЗ "Himavari" показало корректность радиофизической диагностики спектральных характеристик вспышечных корпускулярных потоков. Точность определения АФЧХ сигналов современными техническими средствами в ДВ- диапазоне недостаточно высока, модельные представления [e(h)]- профилей в спокойных условиях отличаются от реальных, не дают уверенности в большой точности измерений параметров излучений. Однако исследования по сходимости событий удовлетворяют требуемой точности, особенно для достаточно мощных событий. Приведены и алгоритмы расчета спектров протонов по данным наземной регистрации вторичных компонент космических лучей.

Исследования эффектов воздействия солнечных субреляти-вистскях протонов в нижней ионосфере к распространении радиоволн проведены на данных поглощения космических радиошумов и фазовых измерений СДВ- сигналов в диапазоне 10.2-16,0 кГц. В ожидаемый период (спустя 5-6 часов после вспышки) риометричес-кое поглощение, правда, в меньшей степени, чем от вспышки СКЛ, возрастает на всех частотах. Для анализа вариаций СДВ- сигналов выбран период 8-16,07.82г., когда на Солнце произошла серия из 13 вспышек, в.том числе .? вспышки класса 3. На ИСЗ зарегистрирован приход к Земле субрелятивистских протонов с увеличением фоновой интенсивности для Е(р) > 5 МэВ на 4 поряд-

ка на фоне Форбуш-эффекта в КЛ, Из 9 исследуемых трасс 4 -низкоширотные, и одна - средиеширотная. Показано, что приход субрелятивистских протонов приводит к заметному уменьшению фазы в высоких широтах, причем амплитуда возмущения возрастает с увеличением протяженности трассы в высоких широтах. В дневное время суток на трассе Норвегия - Иркутск уменьшение срази на частоте 10,2 кГц достигла 20 сц, а в ночное - 50 сц. Для общей трассы наибольший эффект наблюдается днем на частоте 11,3 кГц, а ночью - на частоте 10.2 кГц. Нижняя граница воздействия субрелятивистских протонов доходит до широты в 50 град, е При рассмотрении реакции нижней ионосферы и параметров радиоволн на Форбуш-эффекты в Ш1 проведен широкий круг исследований в реальных и вычислительных экспериментах. Модельные эксперименты показали, что изменение электронной концентрации подчиняется не только вариациям корпускулярной радиации, но и солнечной активности, времени суток и т.д. Характеристики уменьшения Ее] при ослаблении интенсивности I(р) на 30 % приведены в таблице 1. Вэрхняя граница заметного воздействия КЛ на нихнгао ионосферу при Форбуш-эффектах расположена днем на высоте 62 км , а ночью - 80 км.

Таблица 1.

8"[е], %

Н ■ 100 10

Н, км день ночь день ночь

60 -7 -27 -7 -29

50 -17 -41 -26 -44

Характер изменения 1е(Ь)3 - профиля при Форбуш-эффэктах показывает, что наиболее существенные изменения следует ожидать в ночные и переходные часы суток для СДВ-диапазона - в фазе, а в ДВ- диапазона - в амплитуде сигналов. Реальные эксперименты показывают, что амплитуды ионосферных ДВ-сигналов на трассах Ташкент- Новоказалинск (164 кГц) и Караганда- Новока-залинск (236 кГц) возрастает примерно на 20 дБ. Аналогичные

результаты дают модельные расчеты: амплитуды возмущений параметров ДВ- радиоволн возрастает с увеличением длины трассы, . достигая максимума на частотах около 200 кГц. Показано, что, используя АПС, можно по данным о распространении ДВ- сигналов однозначно оценивать изменения первичного потока КЛ.

Эксперименты по наблюдению вариации СДВ-сигналов в периоды Форбуш-эффектов не всегда дают однозначной ожидаемой реакции на увеличение фазы и амплитуды. В случав наблюдения фазовых аномалий величина отклика достигает задержки до 4 - 5 мкс на трассе Culter Maine - San Paulo, на трассе Ля Реюньон -Иркутск увеличение фазы в ночные часы суток более 10 сц и возрастает пропорционально длине трассш Разнообразие вариаций СДВ- сигналов предполагает, что существенную роль играют изменения соотношения вклада различных мод распространения в суммарное поле. Однако, при явных проявлениях воздействия КЛ использование фазовых измерений на различных трассах для определения местонахождения может привести к значительным ошибкам.

Влияние геомагнитных возмущений на ионосферу и распространение радиоволн рассматривалось в аспекте изменений порога Жесткости обрезания Rc спектра КЛ. Расчетные данные по вариациям [el и q на средних широтах приведены в таблице 2,

Таблица 2,

дйс, ГВ -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0

h, км 60

lg q lg [eî 0.1S 0.5 -1.24 0.43 -1.36 0.37 -1.46 -1.55 0. 33 0.26 -1.63 0.21

h, км • 60

lg q lg tel -1.73 1.09 -1.87 1.03 -1.99 1.0 -2.1 0.94 -2.19 0. 91 -2.27 0.87

В работе определен порог возмущения МПЗ в Н-компоненте, равной 100 нТл, при котором наблюдаются существенные в расп-

ространении радиоволн ДВ- и СДВ- диапазонов ионосферные отклики в результате изменений и вторжения в ионосферу заряженных частиц радиационных поясов.,Экспериментальная информация о вариациях СДВ- сигналов в периоды отрицательных магнитных бурь показывает ожидаемое изменение фазы. (трасса Япония - Хабаровск, 10.2 кГц) на величину почти 20 сц на фоне эффекта, вызванного понижением интенсивности КЛ, Как и ранее, объяснение реакции возможно изменением параметров отдельных мод сигналов.

Таким образом, во второй части работы создана база для прогноза комплексного возмущения радиации, его воздействия на" нижнюю ионосферу,- распространение радиоволн и реализации алгоритмов взаимной' диагностики явлений в радиации и эффектов в ионосфере. Самые мощные изменения в нижней ионосфере вызывают рентгеновские вспышки, их воздействие на ограничивается лишь увеличением ионизации, изменением в амплитуде и фазе километ-. ровых волн, но сопровождаются образованием спорадических слоев и генерацией волновых возмущений. Возмущения-корпускулярной радиации подразделяются на два класса: а)высокоэнергичные: Ьспышка СКЛ, ударные волны, Форбуш-эффект, изменение порога геомагнитного обрезания и б)низкоэнергичные: приход субрелятивистских протонов, вхождение плазменной неоднородности в земную атмосферу. Воздействие последней группы на нижнюю ионосферу ограничивается высокими широтами. Для обоих классов корпускулярных возмущений эффекты в ДВ- и СДВ- сигналах существенны и должны учитываться в задачах навигации, радиосвязи, вещания и т.д.

Третья часть работы включает две главы и построена по той хв схеме последовательности исследований взаимодействия отдельных компонент комплексного возмужания радиации при солнечных вспышках и верхней (область Г) ионосферы.

Глава пять посвящена разработке новой физической модели передачи энергии внемагнитосферных корпускулярных излучений в среднеширотную ионосферу. Исследования возмущений области Г, в частности в проблеме краткосрочных прогнозов, консервативны и требуют существенных коррекций как в области физических представлений об ОКП и его связи с ионосферой, их теоретического обоснования, так и в методологии прогнозирова-

ния. Основным достижением предшествующих исследований является морфологическая статистика ионосферных бурь. Экспериментальная информация о наличии корреляции вариаций критических частот области V ионосферы с интенсивностью корпускулярной' радиации показана автором ещ± в 1976 году. Широтная зависимость ионосферных бурь по амплитуде, знаку и времени появления не всегда согласуется с известным механизмом теплового расширения, передачи возмущений от полюсов к средним широтам и требует поиска новых моделей. Автор предлагает новую физическую модель, в которой основным объектом передачи анергии внемагнитосферных протонов является радиационный пояс.

Без учета движений заряженной компоненты электронная концентрация в верхней,ионосфере определяется скоростями ионизации и рекомбинации. Скорость ионизации мало зависит от состава компонент нейтральной атмосферы, так как потенциалы ионизации О, различаются мало. Для скорости рекомбинации эта за-

висимосуь существенна из-за значительного расхождения значений диссоциативной рекомбинации. Так

с*е(0+)= 1,5-10"сиъ/ С. .Для снеси ионов эффективный коэффициент рекомбинации определяется как

Дан анализ характеристик корпускулярных излучений в ионосфере, таким как: захваченная радиация (радиационные пояса), избыточные излучения (квазизахваченнш частицы и частицы альбедо)и высыпающиеся частицы (протоны к электроны). Флуктуации интенсивностей этих излучений определены изменениями первичного внемагнитосферного потока космических лучей галактического и солнечного происхождения. Воздействия протонов на формирование [е(Ь)] - профиля осуществляется через ионизацию и изменение относительной концентрации С^/^а! . Привлечены данные о новых каналах инжекции протонов в радиационные пояса и их увеличенного стока через резонансную перезарядку на тепловых атомах водорода, ' концентрация которых оказалась как минимум на 2-3 порядка выше ранее предполагавшейся.

Перезарядка идет по реакции

р++И - Н.+ р+ (6)

и время жизни протона в радиационном поясе становится меньше таксе на 2-3 порядка согласно выражения

и составляет для энергий Е(р) >1 МэВ десятки минут.

В реакции <6) протон р+ передает кинетическую энергию водороду Н, который Н. в свою очередь отдает ее на нагрев атмосферы на уровнях области С ионосферы.

В модели знаки корреляции протонных потоков Кр) и ионосферных параметров 1в1 могут быть различными.

Наиболее существенными механизмами положительной корреляции является:

1. Прямая ионизация нейтральных компонент низкоэнергичными протонами (6) и электронами.

2. Прямопропорциональная зависимость скорости образования атомарного кислорода (в основном в результате диссоциации Од ) от скорости ионибации и соответствующим изменениям отношения

3. Меридиональный перенос 0 из полярных областей в результате джоулэва нагрева.

Отрицательную корреляцию создают следующие механизмы:

1.Реакция (6) приводит к нагреву и переносу в область Г молекул М2 , изменению отношения [0/ Ы^! . Изменения [е] будут обратнопропорциональны относительным изменениям концентрации

2. Аналогично реакции (6) быстрые ионы 0+ превращаются в быстрые атомы кислорода в соударениях с обменом зарядов и энергий, что приводит к убеганию О из областей реакции.

3.Захват ионов 0+- в радиационный пояс, что приводит в случае увеличения I (р) к увеличению ,

Предложенная модель объясняет наблюдаемые пространственно -временные характеристики ионосферных бурь: изменение знака и времени их начала. Тип реакции ^2. и [е!т зависит от высоты расположения максимума слоя . Минимальные значения наблюдаются в околополуденное время зимнего периода в высоких широтах, где и наиболее вероятны наблюдения отрицательных бурь при возрастании Ир), что подтверждается экспериментально.

- 21 -

Наблюдаемая задержка начала возмущений ионосферы, возрастающая с уменьшением широты,в рамках предложенной модели может объясняться как минимум двумя причинами:

1. Обратно пропорциональной зависимостью периода обращения протонов вокруг Земли в западном направлении от параметра

Ь-оболочки (геомагнитной широты) и их энергии. - -

ит ~ и- ЕСр} ' МИН-

С удалением сети станций от меридиональной зоны входа возмущенного потока протонов задержка начала ионосферной бури с уменьшением широты будет возрастать.

2. Протоны при движении между сопряженными точками увеличивают свою скорость, постепенно переходят на более низкие Ь-оболочки и возмущение смещается к более низким широтам,

В главе шесть рассматривается взаимодействие корпускулярных компонент комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках.

В исследованиях воздействия вспышек солнечных космических лучей (СКЛ) привлечены данные, подтверждающие изменение температурного профиля до 400 град, в нижней части области Г, возникновение вертикального дрейфа со скоростями 12-60 м/с И полученные в Аресибо методом некогерентного рассеяния. Данные подтверждают наличие механизмов в предложенной автором модели передачи энергии протонов в среднеа/иротную ионосферу.

По данный сети станций вертикального зондирования (Москва, Караганда, Новоказалинск и Алма-Ата) рассмотрено влияние на ионосферу двух мощных вспышек СКЛ 22.11.77 г. и 7,05.78 г. В первой фазе ионосферной бури критические частотыуменьшаются, достигая минимальных значений в момент максимума корпускулярной радиации. В этой части бури сказывается превосходство каналов отрицательной корреляции особенно отчетливо на более высоких широтах (Москва). Затем начинается увеличение [в], достигающей максимума лишь спустя 4-6 часов. Методом наложения показано, что эта фаза ионосферной бури проявляется наиболее четко, а диапазон гелиодолгот, ответственный за рассматриваемые возмущения ионосферы, расположен в пределах 40°Е. -<30о№ . Амплитуды обеих фаз ионосферных возмущений пропорцио-

нальны баллу солнечной вспышки, а начало положительной фазы приходится на момент спустя 1 час после вспышки на Солнце. Окончательное заключение по данному классу событий можно сформулировать следующим образом. Вспышка СКЛ не сопровождается синхронным и синфазным увеличением электронной концентрации в области F ионосферы и предполагает проведение проверки наличия вероятности наблюдаемого эффекта с приходом к Земле субрелятивистских протонов солнечной вспышки, время достижения которых составляет величину порядка 5 часов.

На значительном статистически достоверном материале рассмотрены случаи воздействия на ионосферу потоков субрелятивистских протонов солнечных вспышек. Вспышки классифицированы по геяиодолготному признаку и с учетом конфигурации межпланетного магнитного поля для анализа отобрано 127 вспышек, которые произошли в области 10-30 град. W гелиодолгот. По 10-часовым реализациям Се1„ от'момента вспышки в 4 интервалах: Январь-февраль, 2)март-ыай, 3)июнь-июль, 4)август-декабрь 1978 г. обнаружено 4 типа реакций: 1)нулевой, когда [atell<10sCM'\ 2)пе-ременный (двухфазная буря), 3положительный, когда atel» tOsCff и 4)отрицательный. Наиболее часто встречающийся тип возмущений - положительный, при котором с момента вспышки значение начинает возрастать и достигает максимума спустя 5-6 часов,Вероятность возникновения различных типов вариации «Lei m приведена в таблице 3.

Таблица 3.

Интервал п Вероятность, %

Тип 0 Ч» + - '

I-I1 111-У VI-V1I VIII-XII 27 26 35 39 5.1 29.7 23.1 22.9 20.5 48.1 61.5 62.9 51.3. 22.2 15,4 14,2 23.1

197В 127 1.6 23.6 55.9 18.9

- 23 -

Максимум положительных бурь на широта Москвы (55 град, с.ш. ) приходятся на летний период, отрицательных - на зимний, что соответствует прогнозу нашей модели передачи энергии протонов в ионосферу. С увеличением мощности потока релятивистских протонов амплитуда й1е"1 возрастает, а с увеличением их энергии вероятность отрицательных бурь возрастает.

Проведен анализ явлений прихода ударных волн на породней фронта плазменной неоднородности, Форбуш-поникений интенсивности KJI и их воздействия на ионосферу, Показано, что геофизически активными в атом классе возмущений является солнечные вспышки, произошедшиэ в интервала гелиодолгот . 40-90 град. W. На широте Москвы вероятность ионосферных бурь составляет 87,5 % и корреляция 1(р) и fs] ¿.основном имеет положительный знак, хотя присутствуют каналы воздействия обоих знаков. Как и при других классах корпускулярных воздействий отрицательный канал имеет превалирующее воздействие в высоких широтах, хотя положительный канал также увеличивает свою амплитуду, Такой эффект вызван лишь малой по отношению к другим широтам высотой максимума ' ионизации слоя . Для события 19-23,08.82 г., когда Форбуш-эффект нейтронной компоненты имел амплитуду - 5. 5 % па широте Москвы ионосферная буря имела положительный знак, в Караганде (50 град, с.ш.} - реакция нулевая, а в Алма-Ате (43 град.с.ш.)- te] возрастабт, В летний период 23-27, 08,88 г, Форбуш-эффект имел аыплйтуДу - 4. 4 %, на всех ионосферных станциях отмечается отрицательная буря, но с увеличением широты амплитуда возмущений уменьшается, что опять совпадает с прогнозом предложенной модели. При анализе рядов вариации интенсивности KJI n it&l^ за , период ii-ти оборотов Солнца в 1978 г. отмечено 16 возмущений, из которых 2 возмущения КЛ не сопровождались вариациями ионосферы, в 7 случаях отмечалась положительная корреляция с присутствием ударных волн и Форбушэ^фектов, 'в 2 случаях - корреляция отрицательная. Для статистических заключений число анализируемых случаев недостаточное, но ожидаемая тенденция распределения btelm относительно Кр) наблюдается.

Воздействие плазменной неоднородности С МПЗ приводит к возмущению последнего, что приводит к вторжению протонов и

электронов в атмосферу, к изменению порога жесткости геомагнитного обрезания спектра KJI. При захвате магнитосферой Земли частиц плазменной неоднородности полосные воронки заполняются корпускулярной радиацией. Сложность анализа ионосферной обстановки в этой ситуации в том, что перечисленные явления происходят одновременно в период максимума Форбуш-эффэкта, Поскольку эти явления в большинстве случаев приводят ' к возрастанию 1е], разделение их без спутниковых измерений пока невозможно. Исключением являются ситуации, когда мощность одного из явлений намного, превышает другие, В исследовании рассмотрен случай, когда интенсивность вторгающихся протонов по данным ИСЗ "Метеор-25" 26,03.78 г. не сопровождалась заметными потоками электронов. На витках 3985 и 3994 ИСЗ производил измерения над Нодаказаяинском. Интегральный поток энергии для протонов с Е (р) >= 30 кэВ по суше высыпающихся и квазизахваченных частиц составлял 0.33 эрг/о см ср. По данным вертикального зондирования построены le(h)]- профили в спокойный и возмущенный дни. Возмущение, пересчитанное в скорость ионизации, составило 11.88см .с , а по данным потока 10.4 tri - о , что можно объяснить незначительным изменением аффективного коэффициента рекомбинации с 5, 41 до 5.317 cfTVc из-за изменения отношения LQ/Nfcl . Аналогичный эффект возрастания [е] получен для этого периода по данным станции Москва. Значит, высыпающиеся протоны имеют значительный ионизационный эффект в ионосфере.

Выборка из 368 событий ионосферных возмущений за 1960-1970 годы классифицированы по времени суток их наблюдения: полночь, вечер (при высокой и низкой солнечной активности) и полдень. Характер изменения во всех группах аналогичен по знаку и амплитудам вариациям космических лучей. Ночью и в ив I(р) не наблюдается предповышений, обусловленных ударными волнами. В дневное время суток эффект ударной волны явно выражен и и в 1(р). Амплитуда ^2. возрастает от макси-

мума солнечной активности (10 %) к минимуму (14 % ).

Итак, приведенные экспериментальные данные по вариациям космических лучей и ионосферным бурям в результате вспышечной деятельности Солнца на широтах Алма-Аты подтверждаю^ наличие между ними положительной корреляции.

" - 25 - " . - . ' '.

Приведенные в предыдущих частях диссертация исследования позволили в четвертой части перейти к рассмотрению комплексных возмущений радиации и ионосферы, вопросов их взаимной диагностики и прогноза. Из общих закономерностей воздействия радиации на ионосферу отмечается следующее: в нижней ионосфере . изменения скорости ионизации и эффективного г коэффициента рекомбинации приводят вариациям электронной концентрации однбго знака; в области F изменения [el могут иметь различные знаки. Степень влияния различных по знаку каналов воздействия на [е] зависит от сезона и цироты места и определяется высотой расположения максимума слоя F2.

В анализе воздействия ; комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках на ионосферу используются также ряды вариации Н- составляющей напряженности №3, интенсивности ГКЛ ( по нейтронной компоненте), предельных и критических частот в максимумах слоев Е и F2, а также фазы СДВ- сигналов. Для примера взяты события, когда 7.12.82 г. в 23.3S ОТ на Солнце произошла мощная вспышка, сопровождавшаяся выходом солнечных КЛ релятивистских энергий. Наблюдавшийся ряд ионосферных возмущений сопоставляется. с макетом ожидаемых возмущений радиации, показавших прогнозируемое совпадение, Ввиду незначительного по амплитуде возмущения МПЗ из 8 составляющих комплексного возмущения радиации в модели-эффективными оказываются первые Б.

1. Рентгеновская вспышка привела к возрастанию [е] в области Е в виде увеличения предельных частот отражения.

2. Вспышка СКЛ сопровождается возрастанием интенсивности КЛ, положительным возмущением и отрицательным возмущением СДВ- фазы.

3. Приход субрелятивистских протонов вызвал спустя 5 часов после вспышки увеличение [е] в Ей F областях ионосферы я уменьшение фазы СДВ- сигналов.

4. Ударная волна достигла Земли 10 декабря, обнаружена увеличением интенсивности КЛ и сопровождается отчетливым возрастанием [е] в F области, отрицательным возмущением СДВ- фазы.

5. Форбуш-эффект в КЛ привел к ожидаемому уменьшению ионизации в F области, но не обнаружен в вариациях СДВ,

Рассмотрены широтные зависимости ионосферной реакции на

комплексные возмущения радиации для серии из 3-х вспышек, произошедших 30,04 - 3.05,76 г. и имевших различную мощность. Возмущение Н- составляющей МПЗ достигло 120 нТл и, следовательно, следует ожидать соответствующих эффектов в ионосфере. Наблюдаемые изменения в ионосфере полностью объяснимы комплексным возмущением радиации, и имеют, широтные закономерности. На разностных характеристиках нормированной интенсивности КЛ в разнесенных по широте пунктах показано наличие эффекта изменения порога жесткости геомагнитного обрезания, нашедшее отображение в ионосферной реакции низких шрот, . Дано заключение о том, что элементы комплексного возмущения радиации проявляются в ионосфере и их амплитуда зависит не только от мощности и ге-лиокоординат вспышки, но и от широты места наблюдения.

На каждый из 8 элементов комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках составлена технологическая карта прогностических и диагностических характеристик, включающих: 1. Предвестники явлений в радиации. 2. Время достижения радиационного возмущения Земли, Э.Диапазон гелиодолгот, эффективных в ионосфере. 4. Достоверные методы наземного обнаружения явления. 5. Основные характеристики ионосферной реакции. 6. Временные и пространственные характеристики ионосферного возмущения. 7, Прогностические функции явления. 8. Ионосферная диагностика характеристик возмущенной "радиации. Основные данные карты представлены в таблице 4.

Обозначение эффектов: 1 - увеличение Се ], 2 - уменьшение £е], 3 - генерация волновых возмущений, 4 - образование низко-лежащих1 Es. Широтный эффект; стрелка вниз - уменьшение [el с увеличением шроты и наоборот.

На основе; полученных- в работе данных и закономерностей составлена аналитическая модель комплексных ионосферных возмущений (на примере области F на широте Москвы), по данным о мощности и гелиодолготах солнечной вспышки, которые прогнозируют временной ход и амплитуду возмущений ионосферы.

В модели рассчитываются время достижения максимума ионосферной реакции и условная скорость ионизации для каждой из составляющих комплексного возмущения радиации. Посл^ суммирования ионосферных эффектов для каждой из вспышек представляют-

Таблица 4,

ЯВЛЕНИЯ

ВРИ ВК РП Я СРП УВ 40 д Не ВЭЧ СКЛ

день 1.3 1 1 1 2 1 1 1

0 ф ф Е К т н Д переход 1.3,4 1 1 1 2 1 1.4 1.4

ночь 1 1 2 1 1.4 1.4

день 1 2 1 1 1

Г пороход 1 1 2 1 1 1

ночь 1 2 1 1 1

широтный ход 1 1 { • 1 * * 1

начало 8 <1 4-10 >1 >30 >40 МО _____ "40

мин час час сут час час час час

1 МАКС "*20 М . 5 3 в 5 5 5

мин час час час час час час час

длительность •хз е 6 10 10 10 10

час час час час час час час час

активные гелиодолготы 90Е--90М 60Е -90М 10Е 404 10Е 60К 10Е 60« 10Е 80« 10Е 80И 10Е 80У

я прогностические временные вариации электронной концентра-ш. Проведено сравнение рассчитанных вариаций условной сорости образования электронов по данным и из данных о

солнечных вспышках в период 6-10,05.78 г. Качественное подобие полученных кривых можно считать вполне удовлетворительным. Амплитудное равенство ожидать трудно, так как используемый в модели -индекс мощности солнечной вспышки не всегда адекватен количеству освобождаемой энергии, мощности корпускулярного потока и размерам плазменной неоднородности.

Итак, приведенные в диссертации исследования яоказали, что для диагностики и прогнозирования значительной части ионосферных возмущений необходимо использовать комплексные возмущения ионизирующей радиации электромагнитной и корпускулярной природы, вызванные солнечными вспышками, с учетом их мощности и координат. Использование данных возмущения ионосферы к параметров радиоволн с большой точностью позволяет осуществить диагностику радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве.

В заключении диссертации подведены итоги проведенных исследований. Основные направления применимости результатов лежат в проблемах прогноза и диагностики радиационной обстановки в ОКП (радиационная безопасность), прогноза состояния ионосферы и условий распространения радиоволн в возмущенных условиях. В наибольшей степени неразрешенности обстоят дела а прогнозе распространения радиоволн километрового диапазона.

По результатам проведенных исследований на защиту выносится:

1. Аппаратурно-программная система для анализа радиационно -ионосферных взаимодействий при солнечных вспышках, наиболее важными компонентами которой являются:

а)пространственно-временная модель вариаций концентрации окиси азота и температуры нижней ионосферы;

б)адаптивная модель нижней ионосферы, позволяющая, кроме расчетов высотных профилей электронной концентрации и эффективной частоты соударений в спокойклх и возмущенных условиях, определять спектральные характеристики возмущенной радиации электромагнитной и корпускулярной природы;

в радиофизическая измерительная установка для регистрации амплитудно-фазовых и доплеровских характеристик ДВ- и СВ- сиг-

налов, которая впервые в СССР позволила реанимировать экспериментальные исследования радиоволи в условиях работы передатчиков в синхронной сети вещания.

2. Комплекс теоретических, экспериментальных и программных решений в проблеме прогноза и диагностики околоземного космического пространства, ионосферы и условий распространения радиоволн при синтезированном возмущении олоктромагнитной и корпускулярной радиации во время солнечных вспышек,

3. Способ прогнозирования солнечных вспышек на основе анализа спектров микровариаций космических лучей, подтвержденный авторским свидетельством СССР на изобретение,

4. Доказательство генетического родства возмущений области F ионосферы с вариациями корпускулярной радиации галактического и солнечного происхождения и аналитическая модель ионосферных возмущений в зависимости от мощности и гелиокоординат вспышки.

5. Физическая модель передачи знергии вненагнитосферных корпускулярных потоков среднеширотную верхнею ионосферу.

6. Пространственно-временная модель комплексных радиационных и ионосферных возмущений с доказательством ее корректности и эффективности для целей их прогнозов и диагностики.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Аксельрод B.D., Герасимов Г.И.. Козин И.Д. и др. Динамика нижней ионосферы. Алма-Ата: Наука, 1975,. 64 с.

2. Апрышкин Г. Д., Жумабаев Б. Т., Козин И. Д. и др. Эффект изменения порога обрезания космических лучей во время магнитных бурь в вариациях фазы С ДБ- сигналов. //Распространение километровых и более длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986, с. 81-83.

3. Апрышкин Г.Д., Жумабаев Б, Т., Козин И. Д. и др. Корпускулярный контроль фазы СДВ-сигналов при Форбуш-зффектах в космических лучах. //Распространение километровых и более длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986, с.83-84,

4. Герасимов Г. И. , Козин И. Д, , Турквева Б. А. К вопросу образования вечернего спорадического слоя Е. // Ионосфера и солнечно-земные связи. М. : ВИНИТИ, 1973, деп.М'6461-73, с. 141-

5.Герасимов Г.И., Жумабаев Б.Т., Козин И.Д. и др. Генерация волновых возмущений в нижней ионосфере солнечными вспышками. Геомагнетизм и аэрономия, 1982, т. 22, N 4, с. 554-559.

6. Дориан Л. И., Жумабаев Б. Т., Козин И. Д. и др. Электронная концентрация как индикатор вариаций спектра рентгеновского излучения Солнца. Геомагнетизм и вэрономия, 1980, т. 20, N 5, с. 945.

7.Дорман Л.И., Козин И.Д. Космическое излучение в верхней атмосфере. N.: Наука, 1983, 151 с.

8. Дрибинская Л. В. , Козин И. Д. Влияние частоты соударений на формирование области отражения ДВ- сигналов в ионосфере. Модельный эксперимент, // XVI Всес.конф. по распр, радиоволн. Харьков, октябрь 1990г. Харьков: 1990, ч.I, с. 291.

9. Козин И. Д. Избыточное излучение и ионизация в верхней атмосфере. //Космические лучи в межпланетном пространстве и ионосфере Земли. Алма-Ата: Наука, 1982, с. 54-60.

10. Козин И. Д. Комплексное прогнозирование возмущений в Э-области ионосферы, связанных с солнечными вспышками. //Распространение километровых и более длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986, с.80-81.

11.Козин И. Д. Возможный механизм передачи внемагнитосфер-кых возмущений корпускулярной радиации в среднеширотную ионосферу. // XVI Всес.конф.по распр,радиоволн, Харьков, октябрь 1990. Харьков: 1990, ч. 1, с. 64-65.

12. Козин И. Д., Герасимов Г. И. , Жумабаев Б. Т. и др. Динамические модели нижней'ионосферы в прогнозе возмущений внешних источников ионизации. // Модуляционные.и геофизические эффекты в космических лучах. Алма-Ата: Наука, 1985, с. 28-40.

13. Козин И. Д., Жумабаев Б. Т. , Рубинштейн Б,М. , Туркеева Б. А. Исследования энергетических спех-тров рентгеновского излучение по данным ионизационных процессов в атмосфере. Вестник АН КазССР, Алма-Ата, 1981, N7, с. 48-58.

14. Козин И. Д., Жумабаев Б. Т. , Рубинштейн Б. М. Туркеева Б. А. Диагностика космических излучений, возмущенных солнечными вспышками. // Возмущения внеземного происхождения в нижней ионосфере. Научный семинар КАПГ. Прага. 20-23 марта 1984 г.,

- 31 -

Тез.докл., ЧССР. Прага, 1984, с.31.

15. Козин И. Д., ¡Кумабаев Б, Т., Туркеева Б, А. Аналитические представления вариаций температуры и окиси азота в нижней ионосфере. // Распространение радиоволн километрового диапазона. Апатиты, 1987, с. 32-35,

16. Козин И. Д., Кумабаев Б. Т. Широтный эффект ионизации области D ионосферы вспышечным потоком солнечных космических лучей .//4 Симп.КАПГ по солн.-земн. физ.Сочи, кояб., 1984, М., 1984, с. 76-77.

17. Козин И. Д. , Зэленков В.Е., Николаевский Н. Ф. Способ прогнозирования солнечных вспышек. Авторское свидетельство N 1240251, 1986.

18. Козин И. Д. , Рубинштейн Б.М. , Сайфутдинов М. А, Аппара-турно-программный комплекс для исследования динамики нижней ионосферы. // II Всес. симп. по результатам исслед. средней атмосферы. М. , октябрь 1986, с. 65-66.

19. Козин И. Д., Рубинштейн Б, М., , Сайфутдинов М. А., Туркеева Б. А. Адаптивная модель среднеширотной нижней ионосферы. Ионосферные исследования, 1989, N 44, с. 119-123.

20. Козин И. Д., Сайфутдинов М.А,, Туркеева Б. А. Прогнозирование ионосферных возмущений в зависимости от гелиокоординат вспышки. Ионосферные исследования, 1989, N 44, с. 124-126.

21. Dorman L. I., Kozin I. D. Determination of the variation in the integral energy spectrum of cosmic rays on the basis of radiowave propagation data. 15th Int.Cosmic rays Conf. paper, v. 4,MG,Session Plovdiv, Bulg., August 13-26, 1977, p. 434-438.

22. Dorman L. I., Shumabaav B.T., Kozin I.D, Monitoring :osmic ray ionization of the atmosphere by means of dinamic radio noise absorption measurements. Phys, Solariterr. Potsdam, 1978, N 9, p. 27-28.

23. Kozin I.D. , Zhumabaev B.T, , Rubinstein B.M. The Latitudional dependence of the corpuscular ionization of the ionoshperic F-regicn durihg Forbush-decrease of cosmic rays intensity. "18th Int.Cosmic ray conf.. Bangalore India, August 22-September 3, 1983" , Delhi 1983, MG 10-49.

24.Kozin I.D. , Zhumabaev B.T.Rubinstein B.M. The "eaction of F- region of the ionoshera on cosmic rays flares.

"18th Int. Cosmic Ray conf., Bangalore India. August 22-September 3, 1983". Delhi 1983, MG 10-23.

25. Kozin I.D.. Zhumabasv B.T., Rubinstein B.M., Turkeeva B. A. The spectrum of flares in the X-rays from the data of tha Ionisation of the lower iohosphere. "18th Int.Cosra.Ray conf.. Bangalore India, Aug.22-Sept.3, 1983". Delhi 1983, MG 10-47.

26.Kozin I.D., Turkeeva B.A. Calculation of the density of the energy flux from solar flares by ionospheric data. "18th Int. Cosmic. Pay conf., Bangalore India, Aug. 22- Sept. 3, 1983". Delhi 1983, KG 10-48.

27.Kozin I.D.The principle of the ionization on summary velosity according to sources in the problem of cosraic ray Influence on the lower Ionosphere. -"17th Int. Cosmic ray conf. Paris Francs 13-17 July 1981", Paris 1981, SH 9.1-31, p. 294-296.

28. Kozin I.»D. The da termination of differential X-ray spectrum of the solar flare using ionospheric data.- "17th Int. Cosmic ray conf., Paris 1981". Paris 1981, SH 1-5.

29.Kozin I.D. The correlation between the cosmic rays intensity and Ionisation of the F-region of the ionosphere. "17th Int. Cosmic ray conf,. Paris 13-17 July, 1981", Paris 1981, SH 9.1-32, p, 297-299.

Автор приносит благодарности чл. корр. АН КазССР В. И. Дроб-жеву, проф. Б.В. Троицкому оа помощь в формировании темы, состава диссертации и ценные замечания.