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

Государственный ксиглтет науки и висизй пколы Рё

САНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Козин Игорь Дмитриевич

К01ШЛЕКСНАЯ РАДИОФИЗИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ В031<УЩЕ1Ш, ВЫЗВАННЫХ СОЛНЕЧНЫМИ ВСПЫШКА? м

01.04.03. - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

С'хшя-Пэтербург . 1992

Работа выполнена в Институте Ионосферы Академии наук Казахской ССР

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Д. В. Благовещенский

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

доктор физико-математических наук, профессор Ю. а Черкашн

Еедукдя организация: Харьковский Радиоастрономический институт АН Украины

Защита состоится 1992 года в часов

на заседании специализированного совета Л. 063.57.36 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических .наук при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9. -

С диссертацией мокно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького при Санкт-Петербургском Государственном Университете.

Автореферат разослан " /Р 1992г.

Ученый секретарь

специализированного совета, кандидат физико-математических наук

С. Т. Рыбачек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение. Огромная важность и практическая значимость изучения околоземного космического пространства (ОКП) 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 Еспышками радиации • с 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 ванять наземные способы регистрации, как наиболее доступные, недорогостоящие и постоянно действующие.

Всевозрастающая потребность народного хозяйства в организации каналов 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 прогнозирование радиационной обстановки, ионосферных параметров и условий распространения радиоволн. До настоящего времени нет четко ейюрмулированной концепции, объединяющей временную и пространственную взаимосвязь

- 4 - ■

всего разнообразия явлений в ионизирующих излучениях и эффектов в ионосфере для данной ситуации,ч которая позволила бы исследовать взаимные диагностические и прогностические функции. Практические исследования ионосферы оказались резко дифференцированными по отдельным явлениям в ионизирующих излучениях (рентгеновская вспышка, ППШ, высыпание энергичных частиц, рассматриваемых как самостоятельные явления). Такой подход зачастую приводит к неоднозначным и ошибочным заключениям, ■ затрудняет обнаружение статистических закономерностей.

■Цель р а б о ты заключается в разработке теоретических, эмпирических и технических основ радиофизической диагностики и прогнозирования пространственно-временных характеристик среднеширотной ионосферы и ионизирующих излучений при возмущениях, вызванных солнечными вспышками, на основе:

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

2. Создания аппаратурно-программной системы для анализа взаимодействий раднаций, атмосферы и радиосигналов, диагностики состояния ОКП и энергетики.

3. Разработки аналитической модели прогноза'пространствен-новременных возмущений ионосферной плазмы как функции мощности и гелиокоординат вспышки.

4. Разработки модели передачи энергии внемагнитосферных 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-

нами, позволяющих дать временную последовательность возмущения излучений различной природы, соответствуют« 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 кикровариаций нейтронной компоненты космических лучей, подтвержденного авторским свидетельством СССР на изобретение.

3. Создания адаптивной- к изменениям геофизической ситуации модели низшей ионосферы, позволяющей по дискретным данным об электронной концентрации определять спектральные и энергетические параметры возмущенной радиации.

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

5. Разработки физической модели передачи энергии внемаг-нитосферных потоков космических лучей в среднеширотную ионосферу через внутренний радиационный пояс и ее обоснование.

Научная и практическая ценность работы.

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

2. Разработаны методы диагностики степени и динамики ио-~ носферных возмущений по данным регистрируемой радиофизической информации, необходимых в задачах навигации и местоопределе-ния.

3. Разработаны способы диагностики параметров возмущения ионизирующих излучений на основе создания адаптивной модели нижней ионос -?ры.

4. Получены новые возможности для исследований механизмов ускорения заряженных частиц в межпланетном пространстве и в

- о -

атмосфере Солнца.

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

Практическая реализация. Основная работа по теме диссертации выполнена автором в рамках пяти тем А1садеши Наук КазССР, программы "Интенсификация-00", двух тем по заданию Госкоштета СССР по науке и технике, трех тем по линии КАПГ в качестве их научного руководителя или ответственного исполнителя. Автором получено 8 актов внедрения, 3 азтор-ких свидетельства СССР на изобретения, опубликовано 65 научные статьи и 2 монографии.

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

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

?,. Семинарах КАПГ по солнечно-вешюй физике 1076,1979 г. г.

3. Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн . 1972, 1975, 1978, 1984 , 1937 и 1990 г. г.'

4. Всесоюзных конференциях по космическим лучам 1977, 1979

г. г.

5. 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 иэ введения, четырех частей и заключения.

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

Здесь гз дача модель комплексного возмущения радиации при солнечных вспинсах, вклвчапцая увеличение интенсивности электромагнитного и корпускулярного излучения, выход плазменной неоднородности с Еморохенним магнитным полей во временной последовательности: 1)вспьк::су рентгеновского излучения; ?) вспышку солнечных космических■ лучей (протоны релятивистских энергий); 3) приход субрелятишгтских солнечных протонов; 4) приход ударной волны; 5) уменьшение интенсивности галактических космических лучей (Фсрбуя-эффект). В максимуме ®орбут-эффекта и возмущения магнитного поля Земли (ШЗ) имеют место следующие явления: 6)изменение порога местности геомагнитного обрезания спектра космических лучей; 7) втор-тение в атмосферу энергичных частиц из областей захваченной радиации. При совпадении траектории Земли и плазменной неоднородности, вышедшей из Солнца при вспышке, наблюдеггся 8)приход быстрых солнсчних протсноз. В'.приведенной временной последовательности прихода компонент комплексного возмущения радиации следует окидать соответствующие эффекты в ионосфере. Предлагается приведенную 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 Б 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 списание созданной апгтаратурно - программной системы (АПО) для анализа взаимодействии, прогноза я

диагностики характеристик радиации, магнитосферы, нижней ¡ионосферы и радиоволн. ЛПС действует по принципу использования минимального достаточно-необходимого числа известных данных для определения характеристик искошй компоненты (радиации, или ионосферы или радиосигнала). АБС сострит из 6 блоков: V адаптивная модель шшшй ионосферы, 2) измерительная установка, 3)программы моделей распространения радиоволн в ионосфере и вдоль земной поверхности, 4)набор экспериментальных или расчетных данных"амплитудно-фазе-частотных характеристик (АФЧХ), 5)банк данных высотного распределения электронной ко!ще"трации te(h)] и эффективной частоты соударений "ОСЬ), 6)набор данных характеристик возмущенных шнизнрумэдх излучений.

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

1. Расчет АФЧХ радиосигналов из данных [е(ЬП и -профиле:'; с померю модели распространения радиоволн в спокойных и возмущенных условиях.

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

3. Коррекция параметров компонент адаптивной модели ншшей ijoHcciopii при сравнении экспериментальных и расчетные значений

Le í Ml • / . fM1 .

4. Расчет истинных значений IMhjH на дискретных высотах из'данных АФЧХ радиосигналов с помощью поделай ионосферы и распространенна радиоволн. .

5. Расчет ¡возмущенного елоктронагнитной или корпускулярной радиацией (или их суммой) [е.(.К)! -профиля.

6. Расчет опекгралмых характеристик возмущенной радиации электромагнитной или корпускулярной природы по экспериментальным данным [е(.ЬУ1 -профилей.

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

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

Основной задачей созданной адаптивной модели нижней ио-

косферы является расчет высотных профилей Це "1 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

СМ+ЫМ"Ме]. (1)

Исходными данными модели в спокойных условиях являются: географические координаты; дата; время; солнечная активность; азимутальный и вертикальный углы направления расчетов. Учитываются возмущённые Фоновые ситуации: затмение Солнца, вариации профиля окиси азота, возникновение спорадической зимней аномалии. При возмущениях электромагнитной или корпускулярной радиации при солнечных вспыщках предусмотрено введение их спектральных характеристик. Модель представляет в аналитическом виде пространственно-временные вариации нейтральных компонент: М,, 0,02,02('дд),0г,М0, М0£,С.02,Н2С) , плотности, суммарной концентрации температуры атмосферы. Схема фотохимических реакций модели включает 6 положительных ОТ ^О.О^ •( Н20)п, КО"ЧндО)^;4: отрицательных иона , СО^, И0, , а также электрон Й . Увеличение числа ионов-связок и отрицательных ионов не сказывается в существенном изменении величины расчетной [е] Особенностью программы является введение в уравнения ионизаци-онно-рекомбинационного цикла коэффициента относительного изменения поглощаемой атмосферой энергии излучений Коти . 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 Котн значительно улучшает сходимость расчетных и реальных ионосферных параметров для различных широт, времени года, суток и солнечной активности.

Кроме расчетов[б(ЬП-и профилей программа ионосферной модели решает ряд других важных задач.

Для известных значений на дискретной высоте

модель может рассчитать концентрацию неизвестной нейтральной компоненты атмосферы. Находится такое значение IМ¡_1 , при котором расчетная величина [е(ЦП равна экспериментально измерен-

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

Модель для известных [е(Ь)3 рассчитывает величину дополнительной скорости ионизации, создаваемой возмущенным источником ионизирующей радиации электромагнитной или корпускулярной природы, а далее и энергетические спектры этого излучения.

Аппаратурно-техническая часть АШ состоит из комплекса средств диагностики 0Ы1 и измерения параметров радиосигналов. В него входят: 1. Радиоастрономический спе1строграф для регистрации интенсивности радиоизлучения Солнца на частотах 2-4 ГГц, созданного на базе ТНА-57 "Орбита"; 2. Магнито-вариационные станции; 3. Станция космических лучей, состоящая из нейтронного супермонитора и азимутального мезонного телескопа; 4. Система измерений компонент сигналов с геостационарного спутника, используемая для расчетов полкой электронной концентрации в ио-' носфере. Оригинальная измерительная установка позволяет в аз-толатическом режиме регистрировать ыноголучевость распространения сигналов, разделять сигналы синхронных радиовещательных станций, а также измерять амплитуды, фазы и доплеровские 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 квазифазовых высот. Установка через систему'сопряжения КАМАК связана с ЭВМ и позволила восстановить измерения параметров радиоволн ДВ- и СБ- диапазонов,-прерванные появлением синхронного радиовещания.

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

- 11 -

электронной концентрации в ней .

АБС позволяет, исходя' из возможностей исследователя, менять любой из составляющих блоков.

Во второй части 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 начинают возрастать амплитуды герноник с периодами около 5,50 и 160 ад-нут, .достигая максимума в момент вспышки. Колебания с такими периодами наблюдаются и в потоке электромагнитной радиации Солнца, их амплитуда т&№сэ возрастает перед вспышками и передается в вариации космических лучей через изменение плотности атмосферы и возмущения магнитного поля Земли. Увеличение амплитуды спектральных пиков FJI наблюдается всегда перед вспышками, но не 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 материале по распространению радиоволн дан анализ эффективности различных способов ре-гистации рентгеновских вспышек. Показано, что измэрения внезапных аномалий поля (SFA) в ДВ- диапазоне, и фазы (SPA) в СДВ-диапазоне обеспечивает практически 100 %-ное отождествление"' событий. Меньшей вероятностью регистрации вспышек обладают: измерения поглощения КБ- сигналов (SWF) от 48 до 100 %,• рио-метрические измерения поглощения космических радиошумов (SCNA) - 15-50 % в зависимости от сезона и порога интенсивности вспышки. Следует отметить, что лишь 80 % рентгеновских вспыпьк сопровождается появлением солнечных хромосфелных вспышек в оптическом диапазоне.

При анализе непосредственного воздействия рентгеновских

вспышек на нижнюю ионосферу и распространение радиоволн пргведенное сравнение экспериментально полученных и расчетных профилей электронной концентрации для известных параметров излучений показало их удовлетворительное схождение и подтвердило корректность использованной нами адаптивной модели. На основе пооведенных исследований зависимости реакции ионосферы .и пространственного распределения напряженности поля радиоволн ДВ диапазона от вида спектра рентгеновской вспышки для различ ных сезонов, широт и длин трасс, дано удовлетворительное объяснение обнаруженным различным заключениям, полученным в Болгарии (Г.Несторов) и в Индии (Л. Mutpa). На характер изменения SFA наибольшее влияние оказывает вид довспышечного профиля электронной концентрации . Поэтому вид SFA иа 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 ¡см) слоев повышенной, ионизации, называемых спорадическими слоями Е. Проведенные для таких условий расчеты вариации высотных профилей Ее] показали, что 'вспышки образуют в верхней части области D высокоградиентный слой повышен«;'ионизации, который может быть отождествлен с кязколежщим спорадическим слоем.. Годовая статистика отмечает высокую вероятность такого эффекта, которая в весенний период имеет минимум и составляет 60 %, зимой - 80 X и летом около 100 %.

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

риаций нейтронной .компоненты космических лучей в период солнечных вспыиек также показывает наличие возрастания амплитуд с периодами менее 15 минут и более 100 минут.

В конце главы представлены алгоритмы и примеры их экспериментальной реализации в диагностике рентгеновского излучения солнечной вспышки из данных вариаций высот отражения радиосигналов ДБ- диапазона и электронной концентрации на отражающих уровнях. Спектр рентгеновской вспышки определяется в виде степенной Функции £

, (2) а скорость ионизации на дискретных высотах

как

(з)

ХтМ

Истинные !■»_),и") определяются программой адаптивной модели ионосферы из условия выбора расчетной концентрации электронов , равной зарегистрированной в эксперименте. От-ноаение дС^Ох.М на различных высотах согласно (2) и (3) будет функцией лишь показателя степенир ,что и позволяет определить его значение, а далее из вырагения (3) и величину нормированного коэффициента 6 в спектре . Корректность расчета спектров вспышки с помощью АПС проверена на моделях А. Митры. Совпадения рассчитанных из возмущенных Се(Ь)]- профилей Й^Е») о модельными вполне удовлетворительное, особенно при мощных возмущениях радиации. Осуществлена диагностика Б^СЕа) по данным вариаций ДБ- сигналов на двух частотах. Квазифазовые вариации сигналов использованы для оценки изменений Се(Ь)3- профиля и далее по описанному выше алгоритму произведена диагностика В^ЕгЗ 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! 0.2, что говорит о корректности способа диагностики рентгеновского спектра по данным о распространении радиоволн ДВ- диапазона.

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

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

В г л а в е . 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 нижнюю 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 СВ- сигналов таковы: 1)для большинства ситуаций амплитуда сигнала уменьшается: 2)наибольшее отклонения в переходные часы суток и 3)с уменьшением частоты и увеличением длины трассы распространения реакция сигнала возрастает:' В реальном эксперименте сигнал 164 кГц на трассе Ташкент - Новоказа-линск при вспышке СКЛ 8.12.82 г., когда возрастание интенсивности протонов достигло 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 , которое даст совпадение реальных и расчетных АФЧХ. При зтом, используя данные вариации вторичных компонент КЛ (например нейтронной),можно уточнить коэффициены связи первичных и вторичных частиц. Для этого ке периода вариации (SPA) 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 Д

%(рЬ<*-ЕСр}, (4)

а дополнительная скорость ионизации

с

Отнесение рассчитанных û^(p.V) ira данных электронной концентрации па различных геошгштшх широтах является • функцией показателя степени % спектра (4). В программе находится такое значение \ , при котором отношение интегралов в правой части (Б) с порогами энергии геомагнитного обрезания ECj и Ecu равнялось отношению соответствуют дополнительных скоростей ионизации. Гычксление нормировочного коэффициента интенсивности СКЛ d из уравнения (5) не составляет трудностей. Практическая реализация варианта 7 работы АПС по определению Djfp) осуществлена на дачных измерений поглощения космически/, радио-•ду:-'ов, зарегистрированных риометрами на ст. Kevo и Sodankyla 7.05. 78г. ка частотах 27. 6 , 4С. О и 50 МГц. Данные пересчитаны в соответствующие изменения [е] и ai^Cpl . Сравнение расчетных бначеинй аргументов спектра cl (4) с полученными на КСЗ "Hirravari" показало корректность радиофизической диагностики спектральных характеристик вспышечных корпускулярных потоков. Точность определения АФ'К сигналов современными техническими средства;.® в ДВ- диапазоне недостаточно высока, модельные представления Ce(h)]- профилей в спокойных условиях отличаются ог 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 субрелятивистских протоков в нижней ионосфере и распространении радиоволн проведены на данных поглощения космических радиошумов и фазовых измерений СДВ- сигналов в диапазоне 10.2-15.0 кГц. В окидаемьШ 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 вот «пек, в тем числе 2 вспышки класса 3. Па ИСЗ зарегистрирован приход к Земле субрелятивистских протонов с увеличением Фоноеой интенсивности для ЕС р) > 5 МэВ на 4 поряд-

ка на фоне Форбуш-эффекта в КЛ. Из 9 исследуемых трасс ч -низкоширотные, и одна - среднеииротная. Показано, что приход субрелятивистсглх протоков приводит к заметному уменьшению фазы в высоких широтах, причем амплитуда возмущения возрастает с увеличением протяженности трассы в высоких шпротах. В дневное -ремя суток на трассе Норвегия - Иркутск уменьшение фазы ка частот-- 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. граница воздействия суб-

релятивкстских протонов доходит до широты в 50 град.

При рассмотрении реакции нишей ионосферы и параметров радиоволн на Зорбуш-эффекты ь проведен широкий круг исследований в Реальных и вычислительных экспериментах. Модельные эксперименты показали, что изменение электронной концентрации подчиняется не только вариациям корпускулярной радиации, по и солнечной активности, времени суток и т. д. Характеристики уменьшения 1еЗ при ослабления интенсивности Ир) на 30 % приведены в таблице 1. Верхняя граница зачетного воздействия КЛ на нижнюю ионосферу при йорбук-зффектах расположена днем на высоте 62 юл , а ночью - 60 г.!.:.

Характер изменении [с(Ь)1 -- профиля при ССорбущ-эффектах показывает, 'что нанбелге существенные изг.з'нгши следует ожидать в ночные я переходные часы суток для СДВ-дпапазона - в ({•■азе, а в ДВ- диапазоне - в амплитуде сигналов. Реальные* эксперименты показывает, что амплитуды пскосСорннх ДВ-сигналов на

Таблица 1.

...... (ко], г

ч 100 10

Н, км день ночь день нот

. 60 50 -7 -17 -27 -41 -7 -26 -29 -44

трассах Ташкент- Новоказалинск (164 кГц) и Караганда- Новока-залинск (235 кГц) возрастают примерно на 20 дБ. Аналогичные

результаты дают модельнко расчеты: амплитуды возмущений параметров ДЗ- радиоволн возрастают с увеличением длины трассы, достигая максимума на частотах около 200 кГц. Показано, что, используя АПС, можно по данным о распространении ДВ- сигналов од позначно оценивать 'изменения первичного потока IUI

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

Влияние геомагнитных возмущений на ионосферу и распространение радиоволн рассматривалось в аспекте изменений порога пзсткости обрезания R„ спектра KJL Расчетные данные по вариациям Се] и q на средних сиротах приведены в таблице 2.

Таблица 2.

¿Re, ГВ -3.0 -2.0 -1.0 0 1. 0 2.0

h, км 50

1г. q lg Ce] 0.16 0.5 -1.24 0.43 -1.36 0.37 -1.46 0.33 -1.55 0. 26 -1.63 0. 21

h, км 60

lg Cf lB ce] -1. 73 1. 09 -1. 87 1.03 -1.99 1.0 -2. i 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 - \Хаба-р век, 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, ламке г.ощные изменения в кикней ионосфере вызывают рентгеновские вспышки, их воздействие не ограничивается лишь увеличением ионизации, изменением в амплитуде и фазе километровых еолн, но сопровождаются образованием спорадических слоев и генерацией волновых возмущений. Возмущения корпускулярной радиации подразделяются на два' класса: а) высокознергичные: вспышка СКЛ, ударные волны, Форбуш-эффект, изменение порога геомагнитного обрезания и б)низкоэнергичные: приход субреляти-бистских протонов, вхождение плазменной неоднородности в земную атмосферу. Воздействие последней группы на нижнюю ионосферу ограничивается высокими шротами. Для 'обоих классов корпускулярных возмущений эффекты в ДВ- й СДВ- сигналах существенны и должны учитываться в задачах навигации, радиосвязи, вещания и1.'?. д.

Третья часть работы включает две главы и построена по той же схеме последовательности исследований взаимодействия отдельных" компонент комплексного возмущения радиации при солнечных вспыиках и верхней (область П ионосферы.

Глава пять посвящена разработке новой физической модели.передачи энергии внемагнитосферных корпускулярных излучений в среднеииротную ионосферу. Исследования возмущений области Р, в частности в проблеме краткосрочных прогнозов, консервативны и требуют существенных коррекций как в области физических представлений об 01Ш ¡1 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 Р ионосферы с интенсивностью корпускулярной радиации показана автором еще в 1976 году. Широтная зависимость ионосферных бурь по амплитуде, знаку и времени появления не всегда согласуется с имеющимися в литературе механизмами теплового расширения атмосферного газа от полюсов к экватору, глобальной циркуляции, электромагнитным дрейфом^ высыпания частиц из про-тоносферы и т.д. Поэтому автор предлагает новую физическую модель образования ионосферных бурь, в которой первичным источником возмущений являются космические лучи солнечного и галактического происхождения, а объектом передачи их энергии -внутренний радиационный пояс. Воздействие осуществляется через ионизацию и изменение отношения нейтральных компонент 0/Н2,перезарядку атомарных ионов на молекулярные, которые определяют величину линейного коэффициента рекомбинации электронов, тогда р ~£ М21, поскольку (Ы-П з Ю"5 с м3/с,

сСр (0*) = 1.5-10~12СМ .

Ист анализ характеристик корпускулярных излучений в ионосфере, таким как: захваченная радиация (радиационные пояса), избыточные излучения (кваз¡¡захваченные частицы и частицы альбедо) и высылающиеся частицы (протоны и электроны). Флуктуации интенсивностеЛ этих излучений определены изменениями первичного внемэгнитосферного потока космических лучей галз;^ ческого и солнечного происхождения. Воздействия протонов / а формирование Се ;:->)] - профиля осуществляется через ионизационные , диссоциативные и фотохимические процессы и изменения относительной концентрации Со! /IМД Для объяснения более высокой динамичности радиационных поясов, чем полагалось ранее, в модели привлечены данные о новых каналах пнкекцин протонов в радиационные пояса и их увеличенного стока через резонансную перезарядку па тепловых атомах водорода, концентрация которых оказалась , как минимум,на 2-3 порядка выпв ранее предполагавшейся.

Перезарядка идет по реакции

о И —- И. + р (6)

и время лизни протона в радиационном поясе становится меньше также на 2-3 порядка согласно выражения

■Z = со&6Ф/б--Ы1-тГ и составляет для энергий Е(р) ~ 1 МэВ десятки кглнут.

В реакции (6) протон р передает Кинетическую.энергию во дороду Н, который Н. в свою очередь отдает ее на'нагрев атмосферы на уровнях области Е ионосферы.

В модели знаки корреляции протонных потоков Цр) и ионосферных параметров Се] могут быть различными.

Наиболее существенными механизмами положительной корреляции является:

1. Прямая ионизация нейтральных компонент в протон-но-электронном каскаде.

2. Прямопропорциональная зависимость скорости образования атомарного кислорода от скорости поглощения энергии излучений и соответствующими изменениями отношения £0/N¿1

3. Меридиональнкй перенос 0 из полярных областей в результате дкоулева нагрева.

Отрицательную корреляцию создают следующие механизмы:

1. Реакция (6) приводит к нагреву области Е ионосферы и переносу в область F молекул IU , уменьшению отношения [В/Нг] и . следовательно, к уменьшению р .

2. Аналогично реакции (6) быстрые ионы 0+ превращаются е 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 Кр) к увеличению р .

Предложенная модель объясняет наблюдаемые пространственно -временные характеристики ионосферных бурь: изменение знака и времени их начала. Тип реакции feF2 и t'elm зависит от высоты расположения максимума слоя F2 . Минимальные значения наблюдаются в околополуденное время зимнего периода в высоких широтах, где и наиболее вероятны наблюдения отрицательных бурь при возрастании Кр), что подтверждается экспериментально. .

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

- 21 -

1. Обратно пропорциональной зависимостью периода обращения протонов вокруг Земли в западном направлении от параметра '„-оболочки (геомагнитной широты) и их энергии.

4 А

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 1-оболочки и Еозмушение смешается к более низким широтам.

В главе в с т ь рассматривается взаимодействие корпускулярных компонент комплексного возмущения радиации при с о дн е чных в с п! ,ш,:ках.

В исследованиях воздействия вспызек солнечных космических лучей (СХЛ) привлечены данные, подтверждающие изменение температурного профиля до 100 град, в нитей части области Г, ззз-лнкнопешге вертикального дрейфа со скоростями 12-60 м/с в по-г/чешшэ б /'.росг.Зс методом некогереиткого рассеяния. Данные лодтгэргдг-.гл1 наличие могашзмов в предложенной автором «одели »ерелдчи гвергпп прстсцоз в срсдвеЕфотную ионосферу.

По дшшим сети стояний вергшсалыюго ссидирог-зния (!.5зск-за, Караганда, Новсл^залннск и Алма-Ата) рассмотрено влияние ¡¡.а ионосферу дзу:' мощны;-. великок СКЛ 22.11.77 г. и 7.05.78 г. Р пергой фазе '.топссфсриоЛ бури 'критичоскио частоты уменьшаются, досзш'до м*ш!!!'аль!!ых значений в момент максимума корпускулярной ра • 1сции. В -этой части бури сказывается превосходство канапоа отрицательной корреляции особенно отчетливо на более высоких шротах (!Ъсква). Зато;; начинается увеличение СеТ, доетпгюогсй максимума лишь спустя 4-6 часов. Методом наложения эпох показано, что эта фаза ионосферной бури проявляется наиболее четко,, а диапазон гвлюдолгот, ответственный за рассматривая,<кэ еозмуезиия ионосферы, распологэн в пределах 40% -90*«. Амплитуды обеих фаз ионосферных возмущений пропорциональны баллу солнечной тюшетси, а начало положительной фазы приходится на томеит спустя 1 «ас поело вспыпш на Солнце. Окончательное заключение по данному классу событий могно сфор-

мулировать следующим образом. Вспышка ОКЛ но сопровождается синхронным и синфазным увеличением электронной концентрации в области Г ионосферы и предполагает проведение проверки наличия вероятности наблюдаемого эффекта с приходом к Земле суброляти-вистских прогонов солнечной вспышки, время доети.тания которых составляет величину порядка С часов.

На значительном статистически достоверном материале рассмотрены случаи воздействии на ионосферу потоков субрелятивистских протонов солнечных вспышек. Вспышки классифицированы по гелиодолготному признаку и с учетом конфигурации межпланетного магнитного поля для анализа отобрано 12? вспышек, которые произошли в области 10-30 град. V/ гелиодолг,-"Г. По 10- часовым реализациям д1е1т от момента вспышки в 4 интервалах: ^январь-февраль, 2)март-май, 3)июнь-июль, 4)август-декабрь 1978 г. обнаружено 4 типа реакций: 1) нулевой, когда |д1е1ш1<105см*5, 2) переменный (двухфазная буря), 3) положительный, когда .л 1е]тг ю^н1 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 д1е1т приведена в таблице 3.

Максимум положительных бурь на широте Москвы (65 град, с. ш.) приходится на летний период, отрицательных - на зимний, что соответствует прогнозу нашей модели передачи энергии протонов в ионосферу. С увеличением мощности потока релятивистских протонов амплитуда л[е] возрастает, а с увеличением их энергии вероятность отрицательных бурь возрастает.

Проведен анализ явлений прихода ударных волн на переднем фронте плазменной неоднородности, Форбуш-понижений интенсивности КЛ и их воздействия на ионосферу. Показано, что геофизически активными в этом классе возмущений являются солнечные вспышки, произошедшие в интервале гелйодолгот 40-30 град. V. На широте Москвы вероятность ионосферных бурь составляет 87.5 X. и корреляция 1(р) и [е] в основном имеет положительный знак, хотя присутствуют канала воздействия обоих зна-

Таблица 3.

Интервал п Вероятность, %

Тип 0 + -

1-П 111-У УШ-ХП 27 26 35 39 5.1 29. 7 23.1 22..В 20.5 48.1 61.5 62.9 51.3 22.2 15. 4 14.2 23.1

1978 127 1.6 23.6 55.9 18.9

ков. Как и при других классах корпускулярных воздействий отрицательный канал имеет превалирующее воздействие в высоких широтах, хотя положительный канал таюсе 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 % на широте Москвы ионосферная буря имела положительный знак, в Караганде (50 град. с. ш.) - реакция нулевая, а в Алма-Ате (43 град. с. и.)- Се] возрастает. В летний период 23-27.08.88 г. Форбуш-зффект шел амплитуду - 4.4 %, на всех ионосферных станция-: отмечается отрицательная буря, но с увеличением широты амплитуда возмущений уменьшается, что опять совпадает с прогнозом предложенной модели. При анализе рядов вариации интенсивности КЛ ил1е]т за период 11-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 Форбушэффектов, в 2 случаях - корреляция отрицательная. Для статистических заключений число анализируемых случаев недостаточное, но ождаемая тенденция распределения л 1е]т относительно 1( р) наблюдается.

Воздействие плазменной неоднородности с МПЗ приводит к возмущению последнего, . что приводит к вторжению протонов и электронов в атмосферу, к изменению порога деоткости геомаг-

нитного обрезания спектра КЛ. При захвате магнитосферой Земли частиц плазменной неоднородности полюсные воронки заполняются корпускулярной радиацией. Сложность анализа ионосферной обстановки в этой ситуации в том,, что перечисленные явления происходят одновременно в период максимума Форбуш-эффекта. Поскольку эти явления в большинстве случаев приводят . к возрастанию Се], разделение их без спутниковых измерений пока невозможно. Исключением являются ситуации, когда мощность одного из явле-нйй 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 Новоказалинском. Интегральный поток энергш для протонов с ЕС р) >-30 кзВ по сумме высыпающихся и квазизахваченных частиц составлял 0.33 эрг/с см ср. По данным вертикального зондирования построены [е(И)]- профили б спокойный и возмущенный дни. Зозмущение, пересчтанное в скорость ионизации', ' составило

-Ъ -1 -*) .4

11. 88см-с , а по данным потока 10. 4см-с , что можно объяснить незначительным изменением эффективного коэффициента рекомбинации с 5.41 до 5. 317-ю"1см4/с из-за изменения отношения [0/мг1 . 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 1950-1970 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 1(р) не наблюдается предповышений, обусловленных ударными волнами. В дневное время суток эффект ударной волны явно выражен и в.ив 1(р). Амплитуда возрастает от максимума солнечной активности (10 %) к минимуму (14 7. ).

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

Приведенные в предыдущих частях диссертации исследования

позволили в четвертой части перейти к рассмотрению комплексных вс мущений радиации и ионосферы, вопросов их взаимной диагностики и прогноза. Из общих закономерностей воздействия радиации на ионосферу отмечается следующее: в низшей ионосфере изменения скорости ионизации и эффективного коэффициента рекомбинации приводят вариациям электронной концентрации одного знака; в области Г изменения С еЗ могут иметь различные знаки. Степень влияния различных по знаку каналов воздействия на Ге] зависит от сезона и широты места и определяется высотой расположения максимума слоя

В анализе воздействия комплексного возмущения радиации при солнечных вспышках на ионосферу используются также ряды вариации Н- составляющей напряженности МПЗ, интенсивности ГКЛ ( по нейтронной компоненте), предельных и критических частот в максимумах слоев Е и а такте фазы СДВ- сигналов. Для примера взяты события, когда 7.12.82 г. в 23. 36 1ГГ 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 воз--мущения радиации в модели эффективными оказываются первые 5.

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

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

3. Приход субрелятивистских протонов вызвал спустя 5 часов после вспышки увеличение Ее] в Е и Г областях ионосферы И' уменьшение фазы СДВ- сигналов.

4.' Ударная, волна достигла Земли 10 декабря, обнаружена увеличением интенсивности КЛ и сопровождается отчетливым возрастанием [е1 в Г области, отрицательным возмущением СДВ- фазы.

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

Рассмотрены широтные зависимости ионосферной реакции на комплексные возмущения радиации для серии из 3-х вспышек, про-

изошедших 30. 04 - 3.05.76 г. и имеющих различную мощность. Возмущение Н- составляющей МПЗ достигло 120 нТл и, следовательно, следует опадать 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 измене-, ция порога жесткости геомагнитного обрезания, нашедшее отображение в ионосферной реакции низких широт. 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 каздый из 8 элементов комплексного i змущения радиации при солнечных вспышках составлена технологическая карта прогностических и диагностических характеристик, включающих: 1. Предвестники явлений в радиации.' 2: Время достижения радиационного возмущения ¡Земли. 3. Диапазон гелиодолгот, эффективных в ионосфере. 4. Достоверные методы неземного 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 Ее], 3 - генерация волновых возмущений, 4 - образование ниэколежащих Es. Широтный эффект: стрелка вниз -^'.еньшение te] с увеличением широты и наоборот.

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

В модели рассчитываются время достижения максимума ионос ферной реакции и условная скорость ионизации для каждой из ссзтавлящих комплексного возмущения радиации. После суммирования ионосферных эффектов для каждой из вспышек представляются прогностические временные вариации электронной концентрации. Проведено сравнение рассчитанных вариаций условной

скорости образования электронов по данным и из данных о

солнечных вспьшках в период 6-10. ОБ. 78 г. Качественное подобие полученных кривых мояяо сщггать вполне удовлетворительным. Ам-

Таблица 4.

Я В Л Е Н И Я

ВРИ вкл УВ Не ВЭЧ скл

РП СРП

день 1.3 1 1 1 2 1 1 1

Э Ф Ф Е К- т ы Б переход 1,3,4 1 1 1 2 1 1,4 1.4

ночь ' 1 1 2 1 1,4 1,4

день 1 1 2 1 1 1

Г переход 1 1 2 1 1 1

ночь 1 2 1 1 1

ЕНрОТНЫЙ ХОД г .1 1 !, 1 ! 1

начало 8 МИН <1 час 4-10 час >1 сут >30 час >40 час -40 час -40 час

ь ЫЛКС -20 мин ~1 час '5 час 3 . час 6 час 5 час 5 час 5 час

длительность -3 час -3 час 6 час 6 час 10 час 10 час 10 час 10 час

активные гелиодолготы . 90К--904 бое -90\у' 10Е 40У 10Е 60W 10Е 60У 10Е 80« 10Е 80\У 10Е 80У

плитудное равенство ожидать трудно, так как используемый в модели -индекс мощности солнечной вспышки не всегда адекватен количеству освобождаемой энерпш, мощности корпускулярного потока и размерам плазменной неоднородности.

Проведен статистический анализ оправдываемости и эффективности прогнозов комплексных ионосферных возмущений по данным солнечных вспыиек и вертикального зондирования в 1982 г. на ст. Москва и Алма-Ата. Прогнозные эффективные скорости ионизации и вариации электронной концентрации разбиты на четыре амплитудных уровня, как слабые, средние, сильные и очень сильные возмущения. Основные результаты анализа для ст. ИЬсква приведены в табл. 5.

Таблица 5.

п. п. Вероятность в %

Сезон 1 2 3 4 5 6 7

Зима 93,1 57,9 31,6 10,5 7,4 70,5 3,7

р/Д 96,4 59,9 32,5 7,6 3,8 81,5 1,7

Лето 86,6 51,9 44,2 3,9 15,6 96,1 0,0

где 1 - вероятность временного совпадения прогноза с возмущением,

2-5 -вероятности однозначных , противоположных , знакопеременных и нулевых ионосферных откликов,

6-7 вероятности одинаковых и различающихся на 2 класса амплитуд прогноза и возмущений.

Шжно отметить, что вероятности краткосрочного прогноза возмущений ионосферы предложенным способом достаточно высоки и могут быть рекомендованы в практику радиосвязи.

Итак, приведенные в диссертации исследования показали, ■ 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 и 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 з проблемах прогноза и диагностики радиационной обстановки в ОКП (радиационная безопасность), прогноза состояния ионосферы и условий распространения радиоволн в возмущенных условиях. В наибольшей степени неразрешенное™ обстоят дела в прогнозе распространения радиоволн километрового диапазона.

По результатам проведенных исследований на защиту выносится:

1. Ашпратурпо-программная система для регистрации радиа-щгонно-иокссфернпх взаимодействий и их взаимной диагностики при возмущениях, вызванных солнечными вспышками , наиболее веяными компонентами которой являются:

а) адаптивная модель шгжпей ионосферы, позволяющая, кромз рзечетоз ггеотннх профилей электронной концентрации и эффективной -частоты соударений в спокойных и возмущенных условиях, определять спектральные характеристики возмущенной радиации элегсгрогвгнигиой и корпускулярной природы, включающая пространственно -временную модель вариации концентрации окиси азота; .

б) радиофизическая измерительна! установка для регистрации амшштулпо-фазочастстных и доплеровских характеристик. ДВ-I! СВ-сигналоз, которая впервые позволила восстановить экспериментальные исследования распространения радиоволн в условиях работы передатчиков в синхронной сети вещания.

2. Основные закономерности частотной зависимости пространственно-временных вариаций поля ДВ- и СВ- сигналов при воз-дзйствш на mimm ионосферу возмущенной солнечными вспышками электромагнитной и корпускулярной радиации с обоснованием регистрации низколежащих спорадических слоев повышенной ионизации и генерации акустико-гравитацконньк воли.

3. Способ прогнозирования солнечных вспышек на основе анализа частотных спектров микровариацнй космических лучей, подтвержденный авторским свидетельством СССВ на изобретения.

4. Физическая модель передачи знемагнитосфернчх юрпуску-

лярных потоков в среднеширотную верхнюю ионосферу с доказательством генетического родства возмущений области Р ионосферы с вариациями корпускулярной радиации галактического и солнечного происхождения.

5. Эмпирико-аналитическая модель пространственно-временных комплексных радиационных и ионосферных возмущений , как функция мощности и гелиокоординат вспыхски, ■ с доказательством ее корректности и эффективности для целей их диагностики и краткосрочного прогнозирования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Аксельрод В. Ю.. Герасимов Г. И., Козин И. Д. и др. Дша-мика нижней ионосферы. Алма-Ата: Наука, 1ь)/5 64 с.

2. Апрышкии Г. Д., Лфшбаев Б. Т. ,. Козин И. Д. и др. Эффект изме«ения порога обрезания космических лучей во время магнитных бурь в вариациях фазы СДВ- сигналов. //Распространение километровых и бол^е 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-эффектах в космических лучах.//Распространение километровых и более длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986, с. 83-84.

4. Герасимов Г. И. , Козин И. Д., Туркеева Б. А. К вопросу образования вечернего спорадического слоя Е. // Ионосфера и солнечно-земные связи. М.: ВИНИТИ, 1973, деп. N 6461-73, с. 141145.

6. Герасимов Г. И. , Кумабаев- В. 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. Дорман Л. И., ¡Кумабаев Б. Т. , Козин И. Д. и др. Электронная концентрация как индикатор вариаций спектра рентгеновского излучения Солнца. Геомагнетизм и аэрономия, 1980, т. 20, N 5, с. 945.

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

8. Дрибинская Л В. , Козин И. Д. Влшияе частоты соударений на формирование области отражения ДВ- сигналов в ионосфере.

•.{сдельный эксперимент. // XVI Всес. конф. по распр. радиоволн. Хорьков, октябрь 1990г. .арьков: 1990, ч. 1, с. 291.

9. Козин И. Л- 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 Б-збласти ионосферы, связанных с солнечными вспышками. //Распространение километровых и более длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986, о. 80-81.

11. Козин И. Д. , Федулнна И. И. Возможный механизм передачи внемагнитосферных возмущений корпускулярной радиации в средне-широтную ионосферу. // Динамика ионосферы. Алма-Ата: Гылым , 1991, т. 3, 177- 191 с.

12. Козин И. Д., Герасимов Г. И. , Нумабаев Б. Т. и др. Дина-¡.-яческие модели низшей ионосферы в прогнозе возмущений внешних источников ионизации. // Модуляционные и геофизические эффекты в космических лучах. Алма-Ата- Науга, 1985, с.28-40.

13. Козин И. Д., Кумабаев Б. Т., Рубинштейн Б. И., Туркеева Б. А. Исследования энергетических спектров рентгеновского излучение по данным ионизационных процессов в атмосфере. Вестник. ли КазССР, Алма-Ата, 1981, N7, с. 48-58.

14. Козин И. Д., Думабаев Б. Т. , Рубинштейн В. К , Туркеева б. А. Диагностика космических излучений, возмущенных солнечными Еспылками. // Возмущения знезешюго происхождения в нииней ионосфере. Научный се!,1инар КАПГ. 'Прага. 20-23 марта 1984 г., Тез. дога. , '1С0Р. Прага, 1984, с. 31.

1С. Кооим И., Д., Нумабаев В. Т. , Туркеева В. Л. Аналитические представления вариаций температуры и окиси азота в нижней ионосфере. // Распространение радиоволн километрового диапазона. Апатиты, 1887, с. 32-35.

16. Козин И. Д. , ЗКумабаев Б. Т. Широтный эффект ионизации области Б ионосферы . вспышзчным потоком солнечных космичесюпс лучей .//4 Симп. КАПГ по соли.-земн. физ. Сочи, нояб. , 1984, М., 1984, с. 76-77.

17. Козин И. Д. , Зеленков В. Е. , Николаевский а Ф. Способ прогнсзирования солнечных вспышек. Авторское свидетельство N 1240251, 1986.

- 32 -

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

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

20. Козиь И. Д. , Сайфутдинов М. А. , Туркеева Б. А. Прогнозирование ионосферных возмущений в зависимости от гелиокоординат вспышки. Ионосферные исследования, 1989, Н 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. Oosmi rays Conf. paper, v. 4,Ш,Session Plovdiv, Bulg., August 13-26, 1977, p. 434-438.

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

23.Kozin I. D., Zhumabaev B.T. , Rubinstein В. M. The latitudional dependence of the corpuscular ionization of the ionoshperic F-regton durihg Forbush-decrease of cosmic rays intensity. "18th Int. Cosmic ray conf., Bangalore India, August 22-September 3, 1983" , Delhi 1983, M3 10-49.

24. Kozin I. D., Zhumabaev В. T. , Rubinstein В. M. The reaction of F- region of the ionoshere 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. , Zhumabaev B.T. , Rubinstein В. M., Turkeeva B. A. The spectrum of flares in the X-rays from the data of the ionisation of the lower iohosphere. "18th Int.Cosm.Ray conf., Bangalore India, Aug. 22-Sept. 3, 1983". Delhi 1983, MG 10-<*7.

26. Kozin I.D. , Turkeeva B. A. Calculation of the density of the energy flux from solar flares by ionospheric data "IPth Int. Cosmic. Ray uonf. , Bangalore India, Aug. 22- Sept. 3, 1983". Delhi 1983, MG 10-48.

27. Kozin I.D. ТЫ principle of the i.-iuzation on summary velosity according to sources in the problem of cosmic ray

influence on the lower ionosphere. -"17th Int. Cosmic ray conf. Paris France 13-17- July 1981", Paris 1981, SH 9.1-31, p. 294-296.

28. Kozin I. D. The determination 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 а И. Дроб-лгеву, проф. В. В. Троицкому за помощь в формировании темы, состава диссертации и ценные замечания.