Модификация нижней ионосферы под действием мощной ВЧ радиоволны и связанные с ней геофизические эффекты тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный университет

РГЗ ОД

На правах рукописи

3 и Ш 1998

БЕЛОВА Евгения Геннадьевна

МОДИФИКАЦИЯ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНОЙ ВЧ РАДИОВОЛНЫ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ.

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт- Петербург 1997

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Ляцкий В.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Сергеев В.А. кандидат физико-математических наук Благовещенская Н.Ф.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал Института

земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии наук.

Защита состоится «/0 » ^еа^Р^ 1993 г. п "А" час. на заседании Диссертационного Совета Д 063.57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

Зайцева С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации исследованы особенности прохождения через плазму высокоширотной ионосферы мощной модулированной ВЧ радиоволны от наземного передатчика, модификации ионосферных параметров, поляризации искусственных магнитных пульсаций на Земле. Были использованы аналитические и численные методы исследования, проведено численное моделирование для условий конкретных нагревных экспериментов.

Актуальность проблемы. Высокоширотная ионосфера Земли для нас важна не только как среда для распространения радиоволн, но и как область, взаимодействующая с мапштосферной и частицами солнечного происхождения, область с крупномасштабным электрическим полем. Явления, происходящие в нижней ионосфере высоких широт, чрезвычайно разнообразны. Поэтому исследования высокоширотной ионосферы являются как прикладной, так и фундаментальной задачей геофизики, физики космической плазмы и радиофизики. Воздействие на ионосферу мощным модулированным ВЧ наземным передатчиком приводит к формированию в ионосфере антенны с заранее заданными характеристиками, недостижимыми иногда для наземного источника, что делает возможным изучение распространения радиоволн и создание новых средств связи. С другой стороны, характеристики ионосферной антенны и создаваемых ею магнитных возмущений на Земле сильно зависят от ионосферных параметров, таких как электронная концентрация в нижней ионосфере, электрическое поле, что позволяет изучать состояние самой высокоширотной ионосферы и процессов в ней. Для модификации ионосферы высоких широт создан и работает нагревный стенд недалеко от Тромсё (Норвегия), позволяющий развивать эффективную излучаемую мощность до 1 ГВт. Результаты и перспективы нагревных экспериментов активно обсуждаются на ежегодных Европейских нагревных семинарах.

Цель работы - теоретическое изучение прохождения мощной ВЧ радиоволны, модулированной в диапазоне КПК, через высокоширотную ионосферу, модификации ионосферных параметров, а также исследование поляризации искусственных магнитных возмущений на Земле, применение теории и численного моделирования нагрева ионосферы для условий конкретных экспериментов.

На защиту выносятся;

1. Результаты исследования прохождения и поглощения мощной нагревной волны, а также возмущения ею ионосферных проводимостей. Зависимости величины магнитного возмущения на Земле, вызываемого нагревом, от ширины диаграммы направленности излучающей антенны.

2. Результаты исследования влияния горизонтальной неоднородности проводимости ионосферы типа полосы на поляризацию искусственных магнитных возмущений на Земле.

3. Метод восстановления реальной электронной концентрации в нижней ионосфере из данных Е15САТ радара во время искусственных воздействий.

4. Механизм и результаты расчета интенсивности свечения эмиссий 557.7 нм и 630.0 нм, позволяющие объяснить оптический эффект, наблюдавшийся п нагрепном эксперименте.

Научная новнзиа:

По степени новизны полученные в работе результаты можно разделить следующим образом:

1) Исследования подобного рода ранее проводились, но не были достаточны:

в прохождение и поглощение нагревной волны в зависимости от несущей

частоты и электронной концентрации; и зависимости возмущений интегральных ионосферных проводимостей от мощности.

2) Исследования подобного рода ранее не проводились:

в зависимости величины магнитного возмущения на Земле от ширины

диаграммы направленности передатчика; в эффект горизонтальных неоднородностей ионосферы на поляризацию

магнитных возмущений на Земле, генерируемых при нагреве; н выделение возмущений электронной концентрации в нижней

ионосфере при нагреве из данных Е15САТ радара; и интерпретация и расчет интенсивности оптического эффекта, возникшего при нагреве.

Практическая ценность работы состоит в том, что удалось сформулировать рекомендации для наиболее эффективного воздействия на ионосферу мощной модулированной ВЧ волной, т.е. определить наиболее оптимальные режимы нагрева для определенных ионосферных условий. Кроме того, показана необходимость учета горизонтальной неоднородности ионосферы при расчете и интерпретации поляризации магнитных возмущений на Земле. Для неоднородности типа полосы повышенной проводимости получены выражения для расчета электрических полей и токов в ионосфере для дипольного источника, расположенного недалеко от полосы. Показана возможность использования радара Е18САТ для регистрации возмущений электронной плотности в нижней ионосфере, вызванных нагревом.

Реализация работы. Результаты и рекомендации, полученные в главах 1 и 2 используются при проведении экспериментов на нагревном стенде около Тромсё (Норвегия).

Апробация. Результаты исследований представлялись на международной ассамблее МАГА в Буэнос-Айресе (1993), на международных конференции СОБРАЛ в Гамбурге (1994), на международной конференции "Проблемы геокосмоса" в С.-Петербурге (1996), на конференции ЕГС в Вене (1997), на Европейских семинарах по нагреву (Нижний Новгород, 1993, Мурманск,

994, Тромсё, 1995, Соданюоля, 1997), на ежегодных всероссийских еминарах ПГИ (Апатиты).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация одержит 150 страниц машинописного текста, 39 рисунка, библиографию из Г) наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, формулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, ратко изложено содержание работы.

В первой главе исследовано прохождение мощной модулированной ВЧ адиоволны от наземного передатчика через ионосферу, модификация ею лектронной температуры и интегральной ионосферной проводимости.

В параграфе 1.1 сделан обзор теории и экспериментов по прохождению адиоволны через ионосферу и вызываемым ею эффектам. В обзоре отражена [риоритетная роль отечественных ученых, разработавших теорию генерации 14 возмущений и получивших первые экспериментальные результаты. Здесь се сформулирована цель исследований, которым автор посвящает эту главу.

В параграфе 1.2 изучается прохождение радиоволны через ионосферу, е поглощение и эффект самовоздействия в зависимости от несущей частоты [ профиля электронной концентрации в нижней ионосфере. Приведена истема уравнений, описывающая прохождение и поглощение волны гоносферньши электронами, приводящее к их нагреву. Система уравнений дя прохождения волны через ионосферу решалась для однородных слоев олщиной 0.5 км в высотной облаете от 60 км до 150 км совместно с равнением баланса энергии для электронов. Величины концентраций [ейтральных составляющих и невозмущенная электронная температура, [ринятая рапной температуре нейтралов, были взяты из модели нейтральной тмосферы CIRA (1972). Профили электронной плотности задавались в ввде:

N.(z) = N.{z0), z>zQ

ВД = ЛГ,У exp((z-;„)/#,), 2<Z0 ,

де z0 - высота, ниже которой концентрация электронов экспоненциально падает с характерным масштабом H¿. Чтобы перекрыть весь диапазон озможных изменешш электронной концентрации в авроральной ионосфере Friedrich and Torkar, 1983), z0 принималась равной 90 км, H¡¡ -1,2,3,4 и 5 км,

%{г0) варьировалась от 103 до 9*104 см"3.

Были рассчитаны зависимости величин потоков энергии на высоте 90 нормированных на начальное значение, от параметров профилей лектронной концентрации. Мощная волна при распространении [спытывает самовоздействие. Она значительно изменяет состояние среды, в :оторой она распространяется, что приводит к изменению условий её обственного прохождения. На низких высотах происходит ослабление

5

поглощения - "просветленпе" плазмы. Для ¡исследования эффекта самовоздействия мы взяли для расчета мощную волну с эффективной излучаемой мощностью ERP=200 МВт и слабую волну (ERP=10 Вт). Нормированный поток во всех случаях больше для волны малой мощности, т.к. она не испытывает самопоглощения на низких высотах и большая часть ее энергии доходит до высоты 90 км. Получено, что чем больше электронная концентрация п нижней ионосфере, тем меньше поток энергии на высоте 90 км вследствие усиления самопоглощения на низких высотах. Были рассчитаны профили поглощенной энергии, нормированной на величину излученной энергии, для двух несущих частот. Получено, что область, где поглощается основная часть энергии нагревной волны расширяется до больших высот при увеличении несущей частоты нагревной волны за счет снижения величины поглощения на низких высотах, приводящего к тому, что значительная доля энергии достигает Е слоя.

В параграфе 1.3 исследовалась модификация электронной температуры при нагреве для различных ионосферных условий и параметров нагревной волны. Для этого совместно с уравнениями для прохождения волны решалось стационарное уравнение теплового баланса для электронов в электрическом поле нагревной радиоволны. При решении учитывались потери энергии на возбуждении вращательных и колебательных степеней свободы 02 и N2) а также тонкой структуры О, как дающие наибольший вклад. Были получены профили возмущенной электронной температуры для нескольких различных профилей электронной концентрации. Рассчитано, что при слабой D области волна с эффективной мощностью 200 МВт может создать в Е слое сильные (до 2500 К) возмущения электронной температуры, а при мощном D слое возмущения электронной температуры с максимумом меньше 2000 К сконцентрированы на высотах ниже 80 км, где происходит наибольшее поглощение нагревной волны. Кроме того, были получены зависимости возмущенной электронной температуры па высоте 85 км от ERP для двух несущих частот нагревной волны. Они имеют нелинейный характер, причем для большей несущей частоты температура растет с усилением мощности быстрее, а для меньшей частоты медленнее, чем по линейному закону, справедливому для волны малой мощности. Это результат того, что волна с меньшей несущей частотой испытывает усиленное самопоглощение на более низких высотах, по сравнению с волной с большей несущей частотой, и только малая часть ее энергии достигает высоты 85 км.

В параграфе 1.4 исследуются возмущения ионосферных проводимостей в зависимости от величины несущей частоты, мощности нагревной волны и ширины диаграммы направленности излучателя. Получено, что возмущения интегральных ионосферных проводимостей Холла и Педерсена нелинейно растут с усилением мощности нагревной волны, что связано с усилением поглощения волны в нижней ионосфере вследствие самовоздействия. Возможны два вида этой зависимости: быстрее линейного роста, имеющий место, когда основные возмущения проводимостей происходят на высотах, где усилено самопоглощение и медленнее, претворяющийся, когда основные возмущения проводимостей происходят выше, куда доходит незначительная часть энергии нагревной волны. Реализация конкретного вида зависимости 6

определяется несущей частотой, модой нагревной волны и профилем электронной концентрации в нижней ионосфере.

Величина магнитного возмущения на Земле зависит от величины возмущения ионосферной проводимости, а также от площади нагретой области. Было найдено, что возможно увеличение в 2 раза эффективности генерации магнитных позмушепнй на Земле за счет расширения диаграммы направленности излучающей антенны в случае, когда зависимость возмущений интегральной проводимости от ERP существенно нелинейна. При этом достигаемое увеличение площади нагретой ионосферной области преобладает над уменьшением возмущения интегральной проводимости в этой области за счет снижения плотности энергии нагревной волны, и в результате величина магнитного возмущения увеличивается.

В параграфе 1.5 сформулированы основные результаты главы.

Во второй главе исследована поляризация магнитных пульсаций на Земле, генерируемых при нагреве ионосферы, как для горизонтально однородной ионосферы, так и для двух видов неоднородности.

В параграфе 2.1 дан обзор работ по. поляризации искусственных магнитных пульсаций. Отмечено, что в основной работе по этой теме (Maul et al., 1990) расхождение между экспериментальными и рассчитанными по модели значениями амплитуды, угла преимущественной поляризации и эллиптичности магнитных возмущений на Земле значительно для случая, когда нагретая область находилась недалеко от спокойной авроральной дуги. Это обуславливает необходимость учета неоднородности ионосферы при расчете характеристик магнитных возмущений.

В параграфе 2.2 аналитически решается задача о нахождении поляризации искусственных пульсаций на Земле, генерируемых при нагреве ионосферы. Для этого предполагалось, что максимальные возмущения ионосферных токов происходят на высоте наибольшего поглощения радиоволны. Мы получили выражение для этой высоты как функции параметров нагревной волны и профиля электронной концентрации. Далее, полагая, что мощность нагревной волны промодулирована по гармоническому закону, мы нашли возмущение ионосферного тока в окрестности высоты максимального поглощения как функцто времени и затем построили эллипсы поляризации магнитного возмущения в точке под нагретым пятном. Были исследованы величины угла преимущественной поляризации и эллиптичности в зависимости от параметра X=n/2aeffNe, который определяет соотношение между характерным временем изменения электронной концентрации и периодом модуляции нагревной волны, и высоты максимального поглощения. При малых периодах модуляции возмущения проводимосгей Холла и Педерсена происходят за счет увеличения частоты электронных столкновений и находятся в противофазе друг относительно друга, что дает линейную поляризацию возмущений ионосферного тока в пятне и магнитных возмущений на Земле в точке под пятном. При больших периодах модуляции основной вклад в возмущения проводимостей дает изменение электронной концентрации, при этом проводимости изменяются в фазе, что приводит также к линейной поляризации магнитных возмущений на Земле. При промежуточных

значениях периода модуляции поляризация становится эллиптической. Получено, что с увеличением высоты максимального поглощения наибольшая эллиптичность достигается при больших значениях параметра X. При неизменной высоте максимального поглощения угол между главной осью эллипса поляризации и ионосферным электрическим полем уменьшается с ростом X.

Описанный метод позволяет изучить основные закономерности поляризации магнитных возмущений при нагреве, т.е. является достаточно общим. Однако он не очень хорош для изучения конкретных событий, здесь надо применять численный расчет для получения как величин возмущения ионосферных проводимостей (глава 1), так и поляризационных характеристик, что будет рассмотрено ниже.

Параграф 2.3 посвящен численному расчету поляризации магнитных возмущений при нагреве для случая горизонтально однородной ионосферы. Была рассмотрена задача нахождения магнитного возмущения на Земле от пятна повышенной проводимости, возникшего при нагреве в ионосфере. При наличии крупномасштабного ионосферного электрического поля пятно поляризуется, поле поляризации ведет себя как поле дипольного источника. Для определенности мы предположили круговую поляризацию источника. Для расчета потенциала электрического поля и ионосферного тока от этого источника использовались формулы из работы Ляцкого и Мальцева (1983) и далее по закону Био-Савара находились магнитные возмущения на Земле. Получено, что на Земле область .с ~ направлением вращения вектора магнитных возмущений как в источнике расширяется до размеров порядка высоты ионосферы. Поляризация магнитных возмущений на Земле меняется по мере удаления от точки проекции источника от круговой (в этой точке) до линейной на границе этой области.

В параграфе 2.4 была рассмотрена задача нахождения поляризации магнитных возмущений иа Земле, когда источник (пятно повышенной проводимости) расположен поблизости от границы двух ионосферных областей с различными значениями ионосферной проводимости. Такая неоднородность может моделировать широкую диффузную полосу свечения. Вращающийся по кругу дипольный момент источника наводит электрические заряды на границах неоднородности, поляризационное поле этих зарядов создает в проводящих средах дополнительные токи, магнитное возмущение от которых добавляется к полю дипольного источника. Для нахождения распределения токов в ионосфере были использованы выражения из уже упомянутой работы (Ляцкий и Мальцев, 1983). Получено, что на Земле появляются области, где вектор поляризации магнитных возмущений от неоднородности вращается в противоположных направлениях: на стороне источника он вращается как дипольный момент источника, а на другой стороне - в противоположную сторону. Под границей неоднородности поляризация магнитного возмущения линейная, по мере удаления от неё меняется от эллиптической до круговой. Рассчитано, что для величин фоновых проводимостей 5 Б и проводимостей неоднородности 30 Б максимальный магнитный эффект на Земле от неоднородности достигает

10% магнитного возмущения от дипольного источника в однородной ионосфере.

В параграфе 2.5 была рассмотрена задача нахождения поляризации магнитных возмущений на Земле, когда источник расположен в ионосфере поблизости от полосы повышенной проводимости, которая может гссоциироваться с аморальной дугой. В дополнение к предыдущей зассмотрениой задаче здесь появилась ещё одна граница раздела, на которой гоже возникают электрические заряды и поля, и которая стала источником дополнительных токов. Для расчета полей и токов в ионосфере был применен "метод отражений", при котором задача с границами раздела сред заменяется на задачу с дополнительными "отраженными" диполями, а их неизвестные моменты ищутся из условий непрерывности электрического потенциала и токовой функции на границах раздела. Получены выражения хля расчета электрического потенциала и токовой функции во всех областях ионосферы. Найдено, что распределение электрического потенциала и токовой функции имеет форму четырёх вихрей с фокусами, по два на каждой границе полосы, но расположенными различным образом. При достаточно Зольшой по сравнению с фоновой величине проводимости полосы в ней формируется токовая струя, текущая вдоль полосы. Получено, что на Земле тиния, разделяющая области с различными направлениями вращения зекторов поляризации, вдоль которой поляризация линейна, становится изогнутой. При увеличении проводимости полосы в большинстве точек на Земле поляризация становится более линейной и главные оси эллипсов стремятся развернуться в сторону перпендикуляра к границе полосы, что связано с формированием токовой струи, текущей вдоль полосы. Рассчитано, что для величин фоновых проводимостей 5 S и проводимостей полосы 30 S при ширине 40 км максимальный магнитный эффект на Земле от неоднородности достигает 30% магнитного возмущения от дипольного источника п однородной ионосфере.

В параграфе 2.6 сформулированы основные результаты главы, один из которых заключается в том, что эффект горизонтальной неоднородности проводимости ионосферы на поляризацию магнитных возмущений на Земле может быть значительным и его надо учитывать при расчетах поляризационных характеристик.

В третьей главе рассматривались результаты нагревных экспериментов по модификации ионосферы и возбуждению магнитных возмущений, применялось численное моделирование и теоретический анализ возмущений, вызванных нагревом.

Параграф 3.1 посвящен выделению искусственных пульсаций электронной концентрации в нижней ионосфере из данных EISCAT радара зо время нагревного эксперимента 27 октября 1985 г. В этом эксперименте в течении часа нагревный стенд недалеко от Тромсё (Норвегия) излучал тагревную волну с несущей частотой около 5.4 МГц, обыкновенной поляризации, с ERP равной 260 МВт, импульсно модулированную с периодом в 460 сек. Сделан краткий обзор работ, в котором отмечено, что зозмущения электронной плотности во время нагрева были выделены из данных по мощности обратно рассеянного сигнала радара некогерентного

рассеяния для F области (Jones et al., 19S6, Honary et al., 1993). Величина мощности обратно рассеянного сигнала зависит как от электронной концентрации, так и от отношения электронной и ионной температур. При обработке данных EIS CAT радара для высот ниже 100 км обычно предполагается, что отношение электронной к ионной температуре равно 1. Однако при нагрспс электронная температура может возрасти на порядок величины. Поэтому для определения электронной концентрации в D области мы использовали профиль возмущенной электронной температуры в нижней ионосфере, рассчитанный по нашей модели. Получено, что во время нагрева амплитуда вариаций электронной плотности, усредненных по высотам от 80 км до 95 км, достигает более 10 % от невозмущенного значения. Кроме того были рассчитаны возмущения электронной концентрации полностью по нашей модели и сравнены с возмущениями, полученными из радарных данных. Рассчитанные вариации электронной плотности в целом на интервале нагрева показали хорошее соответствие с вариациями, восстановленными из данных радара.

В параграфе 3.2 исследуются оптические эффекты, возникшие при нагреве ионосферы 19 ноября 1993 г. Был дан обзор статей, посвященных оптическому излучению, генерируемому во время нагрева. Уверенные результаты получены только для средних широт и F слоя, где вблизи точки отражения нагревной волны сверхтепловые электроны возбуждают при столкновениях с атомами кислорода оптические эмиссии. Изменение ингенсивностей зеленой и красной кислородных линий с частотой модуляции нагревной волны было зарегистрировано в полярных широтах единственный раз (Stubbe et al., 1982). В эксперименте 19 ноября 1993 г. около Тромсё использовалась волна необыкновенной поляризации с несущей частотой около 4.5 МГц, эффективной мощностью 270 МВт и импульсной модуляцией с периодом в 1 секунду. Телевизионная камера в 100 км от Тромсё регистрировала полярные сияния. Было обнаружено, что имеются вариации интснсшшостн аморального свсчсния на частоте модуляции нагревной волны. На основе численного расчета интенсивностей свечения двух основных авроральных эмиссий (557.7 нм и 630.0 нм) оптический эффект был объяснён вариациями эмиссии 557.7 нм. Изменение интенсивности этой эмиссии обусловлено уменьшением при нагреве скорости диссоциативной рекомбинации, которая является одним из основных каналов возбуждения 'S состояния на высотах нахрева, ответственного за излучение этой эмиссии. В результате модуляция электронной температуры привела к модуляции интенсивности эмиссии.

В параграфе 3.3 рассмотрена поляризация магнитных возмущений на Земле в нагревном эксперименте 26 октября 1984 г. Результаты этого эксперимента и численного моделирования были подробно описаны Maul et al. (1990). На нагревном стенде около Тромсё была использована волна обыкновенной поляризащш с несущей частотой около 3.3 МГц, мощностью в 241 МВт и импульсной модуляцией с частотой в 1 Гц. Авторы отмечали, что во время эксперимента к югу от нагретой области наблюдалась спокойная авроральная дуга, которая, однако, не учитывалась при моделировании поляризации магнитных возмущений на Земле. 10

Рассчитанные Maul et al. (1990) величины амплитуды, угла преимущественной поляризации и эллиптичности значительно отличались от измеренных значений. Мы рассчитали эти величины с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы методом, описанным в параграфе 2.5, предварительно получив возмущение интегральной проводимости, пызпаннос нагрспом для условий эксперимента. Получили, что рассчитанные амплитуда и угол преимущественной поляризации близки к экспериментально измеренным, и что учет неоднородности ионосферы дает значение эллиптичности более близкое к измеренному, чем расчет без учёта этой неоднородности.

В параграфе 3.4 представлены результаты нагревного эксперимента 28 ноября 1995 г. по генерации искусственных ОНЧ эмиссий в зависимости от мощности нагревной волны. Дан краткий обзор теории и экспериментов по этому вопросу. В эксперименте с использованием нагревного стенда около Тромсё излучалась нагревная волна с несущей частотой около 4 МГц и тремя частотами модуляции: 925, 1375 и 2375 Гц и максимальной излученной мощностью в 90 кВт, которая бралась с шагами по 17%, 25%, 32%, 50%, 67% и 100%. В течение 30 минут для нагрева использовалась волна необыкновенной поляризации, затем 12 минут - обыкновенной. Получено, что экспериментальная зависимость амшпггуды искусственных ОНЧ эмиссий от эффективной излучаемой мощности (ERP) нагревной волны существенно нелинейна и характер нелинейности определяется параметрами нагревной волны и профилем электронной концентрации в нижней ионосфере, что соответствует предварительным теоретическим расчетам. Эффективность генерации искусственных эмиссий для нагревной волны необыкновенной поляризации примерно в 2 раза выше, чем для обыкновенной и во столько же раз выше для частоты модуляции 2375 Гц, чем для более низких частот. Получена хорошая корреляция между временными вариациями амплитуды на частотах 925 и 1375 Гц и вариациями измеренной радаром EISCAT электронной концентрации на высотах 78-83 км и 76-81 км соответствешю, что может свидетельствовать о высотах локализации источников данных возмущений и согласуется с теоретическими представлениями о зависимости высоты источника от частоты модуляции нагревной волны.

В параграфе 3.5 сформулированы выводы главы.

В разделе Заключение приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Проведен количественный анализ прохождения и поглощения мощной ВЧ радиоволны, а также возмущения ею ионосферных параметров с целью определения режимов наиболее эффективного воздействия на высокоширотную ионосферу. Получено, что

- диапазон высот, где поглощается основная часть энергии нагревной волны, расширяется в сторону больших высот при увеличении несущей частоты волны, а также уменьшении электронной концентрации в D слое ионосферы. Если величина электронной концентрации в D области меньше 102 см~3 , а несущая частота больше 3 МГц, то более 50% мощности волны достигает высот Е слоя, что делает возможным модификацию текущих там токов;

- возможны два типа нелинейного роста возмущения интегральных ионосферных проводимостей с усилением мощности нагрева. Эти возмущения могут увеличиваться быстрее и медленнее, чем по линейному закону, имеющему место для нагрева с небольшими мощностями. Реализуемый тип нелинейности определяется несущей частотой, поляризацией нагревной волны и профилем электронной концентрации в нижней ионосфере;

- расширение диаграммы направленности излучающей антенны для волны большой мощности приводит к усилению магнитного возмущения на Земле. Вследствие сильной нелинейности зависимости возмущения проводимости от мощности волны достигается двукратное усиление при расширении диаграммы направленности в 4 раза.

2. Проведено исследование влияния горизонтальных неоднородностей проводимости ионосферы на поляризацию искусственных магнитных возмущений на Земле. Для случая, когда нагретое пятно находится недалеко от авроральной дуги, получены выражения, позволяющие рассчитывать электрические поля и эквивалентные токи в ионосфере. Получено, что такая неоднородность уменьшает эллиптичность в точке под нагретым пятном на 30% и поворачивает эллипс поляризации магнитных возмущений на 30°. Эти эффекты связаны с формированием токовой струи, текущей вдоль дуги.

3. Предложен метод восстановления реальной электронной концентрации в нижней ионосфере из данных EISCAT радара во время искусственного воздействия. Обычно при выделении электронной концентрации из мощности обратно рассеянного сигнала для высот ниже 100 км предполагается, что отношение электронной и ионной температур равно 1. При нагреве ионосферы электронная температура значительно возрастает. Данный метод позволяет учесть это увеличение температуры и определить реальную электронную концетрацию.

А. Показано, что наблюдаемые вариации интенсивности плюрального свечения во время нагрева нижней ионосферы объясняются вариациями эмиссии 557.7 нм. Измените интенсивности этой эмиссии обусловлено уменьшением при нагреве скорости диссоциативной рекомбинации, которая является одним из основных каналов возбуждения *S состояния на высотах нагрева, ответственного за излучение эмиссии 557.7 нм. В результате модуляция электронной температуры приводит к модуляции интенсивности этой эмиссии.

Результаты, составившие основу диссертации, изложены в работах:

1. Белова Е.Г. и Ляцкий В.Б. Поляризация магнитных пульсаций генерируемых при нагреве ионосферы модулированной радиоволной. Геомагнетизм и аэрономия, 1993, т.ЗЗ, N4, с.86-91.

2. Belova E.G., Pashin А.В., Lyatsky W.B. Passage of powerful HF radio wave through the ionosphère as a fonction of initial electron density profiles. J.Atmos.Terr.Phys., 1995, v. 57, N3, p.265.

3. Pashin A.B., Belova E.G., Lyatsky W.B. Magnetic pulsation génération by powerful ground-based transmitter. J.Atmos.Terr.Phys., 1995, v.57, N3, p.245.

4. Lyatsky W.B., Belova E.G., Pasliin A.B. Artificial magnetic pulsation generation by powerful ground-based transmitter. J.Atmos.Terr.Phys., 1996, v.58, N1-4, p.407.

5. Belova E.G., Pchelkina E.V., Lyatsky W.B., Pasliin A.B. The effect of ionosphere inhomogeneity on magnetic pulsation polarization. .I.Atmos.Terr.Phys., 1997, v.59, N12, p. 1425-143-1.

3. Belova E.G., Pchclkina E.V., Lyatsky W.B., Pasliin A.B. Effect of ionosphere inhomogeneity on magnetic pulsation polarization: Magnetic disturbance on the ground as a function of inhomogeneity magnitude. J.Atmos.Terr.Phys., 1997, v.59, N15, p.1945-1952. L Pashin A.B., Belova E.G. and Turunen E. EISCAT UHF radar measurements and numerical simulation of electron density variations induced by heating of the D- and E-regions. Препринт ПГИ, Апатиты, 1997, 14 с. !. Belova E.G., Pashin A.B., Turunen E., and J. Manninen, Artificial emission generation during the heating experiment of November 28, 1995: numerical modelling. The 5th Europen heating seminar, Sodankyla, Finland, March 18-20, 1997, Programme and extended abstracts, Oulu university, report N6, p. 2-3, 1997.

i. Pchelkina E.V., A.B. Pashin, E.G. Belova, W.B. Lyatsky, J. Manninen, and E. Turunen, Results of study of the artificial low frequency emissions during the heating experiment of November 28, 1995. The 5th Europen heating seminar, Sodankyla, Finland, March 18-20, 1997, Programme and extended abstracts, Oulu university, report N6, p. 40-41, 1997. O.Belova, E.G., A.B. Pasliin, W.B. Lyatsky. Model of an artificial magnetic pulsation generation and its possibilities for description of the processes occurred in the heated ionosphere. Abstracts for 8th Scientific Assembly of IAGA, Uppsala, 1997, p.345. l.Sergienko Т., Belova E., KorniJov I., Turunen T. and Manninen J. The numerical simulation of the auroral luminosity variations caused by the powerful HF heating of the lower ionosphere. IV Suzdal URSI Symposium on artificial modification of the ionosphere, Abstracts, Uppsala, 1994, p.90.

'лагодарности. Автор выражает большую благодарность научному уководителю Владиславу Борисовичу Ляцкому за его интерес и готовность бсудить любые научные проблемы, признательна А.Б. Пашину за высокий эовень численного моделирования, на который была выведена нагревная щача, за искреннюю заинтересованность и конкретную помощь в моей иботе, Е.В. Пчелкиной - за сотрудничество, моему мужу Т.И. Сергиенко - за ножество ценных советов и просто за поддержку и любовь. Я очень тагодарна моим коллегам по лаборатории МИФ за атмосферу эброжелательности, юмора и физики, в которой легко работать. Особое гасибо моим финским коллегам из обсерватории Соданкюля за уювеческие условия моей работы и жизни там, сделавшие возможным и гчасти приятным написание диссертации.

Зак. 33-100

Усл.печ.л. 0.8 Уч.-изд.л. 0.65 21 января 1998 г.