Волноводные механизмы распространения средних радиоволн в космическом пространстве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

¿¿Г лг -г г\ *ог .....

/ ' ^ V' ; 7 /

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

/

ДОБРОСЕЛЬСКИЙ Константин Анатольевич

//

I/

У

Полноводные механизмы распространения

средних радиоволн в космическом

пространстве

Специальность 01.04. 03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.- мат. наук профессор

Благовещенский Д.В.

Санкт-Петербург 1998

2 ' ■} содержание

Введение..............................................................................................................................................................................4

Глава 1. Экспериментальное изучение волноводного распространения

средних радиоволн вдоль плазмопаузы....................................................................................................30

1.1. Введение................................................................................................................................................................................................30

1.2. Описание эксперимента и полученных данных..............................................................31

1.3. Анализ и обсуждение результатов................................................................................................39

1.4. Выводы по главе 1......................................................................................................................................51

Глава 2. Магнито-ионосферные условия реализации эффекта

волноводного распространения ................................................................................................53

2.1. Введение................................................................................................................................................................53

2.2. Исследование возмущенности магнитного поля по магнитограммам..........................................................................................................................................56

2.3. Анализ данных вертикального и наклонного зондирования ионосферы, спутниковых данных..............................................................................................65

2.4. Выводы по главе 2....................................................................................................................................75

Глава 3. Моделирование распространения СВ в магнитосфере..............................77

3.1. Введение..............................................................................................................................................................77

3.2. Модель околоземной плазмы....................................................................................................79

3.3. Метод расчета траекторий радиоволн..............................................................................84

3.3.1 Дисперсионное уравнение..............................................................................................................88

3.3.2 Уравнение луча...............................................................................94

3.3.3 Описание программы для метода расчета траекторий волн

в приближении геометрической оптики........................................................................97

3.4. Механизмы распространения......................................................................................................................100

3.4.1. Распространение с отражением волн от верхней ионосферы............101

3.4.2. Кругосветное распространение............................................................................................104

3.4.3. Магнитосферное распространение..........................................................................................106

3.4.4. Выбор механизма распространения..............................................................................117

3.5. Выводы по главе 3............................................................................................................................120

Глава 4. Результаты численного моделирования......................................................123

4.1. Введение................................................................................................................................................123

4.2. Условия захвата волн и их волноводного распространения............124

4.3. Прохождение волн в сопряженное полушарие....................................................133

4.3.1. Зависимость прохождения волн от концентрации плазмы....................136

4.3.2. Зависимость прохождения волн от положения плазмопаузы..............137

4.4. Диапазон частот проходящих волн................................................................140

4.5. Выводы по главе 4..................................................................................................................143

Заключение..........................................................................................................................................................145

Литература..............................................................................................................................................................148

введение

Активное использование спутников для изучения околоземного пространства дало много новой информации. Однако в настоящее время область околоземного пространства, охватываемая внутренней магнитосферой, изучена еще недостаточно. Внутренняя магнитосфера со стабильным магнитным полем и более или менее постоянным составом плазмы и энергичных частиц включает верхнюю ионосферу, плазмосферу, внутренние радиационные пояса и частично

—г'

кольцевой ток (рис. В1). Эта область у поверхности Земли связана с субавроральной ионосферой. Одной из ее особенностей является главный ионосферный провал (ГИП). Он представляет собой область пониженной концентрации электронов в Р-слое ионосферы в диапазоне инвариантных широт <3\ = 55 - 75°, которая вытянута на 10 - 12 часовых поясов [ 11, 14 ]. Это полоса шириной от 100 до 1000 км с минимумом концентрации, расположенным в ночное время зимой и близ равноденствий вдоль геомагнитной широты Ф, = 60° (рис. В2). Экваториальная стенка провала имеет ширину (4 - 5°)А Фь , а полярная (1 - 2°)Д . Ширина ГИП, как правило, уменьшается с ростом магнитной активности. Положение ГИП также зависит от уровня магнитной активности и местного времени. Инвариантную широту Ф]^ , на которой находится центр провала, можно определить из эмпирических формул, например (1.2).

В вечернем и околополуночном секторах местного времени во время магнитных возмущений к экватору от овала полярных сияний образуется полоса диффузных высыпаний электронов с энергиями 1 кэВ (диффузная авроральная

Рис. В1. Строение магнитосферы:

1 - магнитопауза, 2 - плазмосфера, 3 - плазмопауеа, 4 -5 - атмосфера, 6 - овал полярных сияний, 7 - Земля.

ионосфера.

:■; 6 зона). Южная кромка этой полосы есть граница диффузного высыпания (ГДВ).

ГДВ образует границу конвекции толщиной 100 - 200 км (или альфвеновский

слой), вдоль которой имеет место дрейф тепловой горячей плазмы плазменного

слоя, и потому соответствует ионосферной проекции плазмопаузы (рис. В1 и В2),

рассматриваемой как последняя замкнутая эквипотенциаль. Картина движений

плазмы на данной границе сложна, поскольку отличается нестационарностью и

турбулентностью, вызывая появление ионосферных неоднородностей,

пульсирующих и волнообразных форм аврорального свечения [30].

Инвариантная широта ГДВ определяется выражением [14]

Фь гдв = 71,47 °-1,25 Кр- 0,018 Кр2 - (2,84+1,24 Кр - 0,076 Кр2) (М1Л76 - 3) ±

±0,12° ,

где Кр - эффективный Кр - индекс магнитной активности (осредненный за два предыдущих трехчасовых интервала);

МЬТ - местное геомагнитное время.

Полярная стенка провала (ПСП) создается за счет ионизации электронами диффузной авроральной зоны и во время возмущений совпадает с проекцией плазмопаузы и, соответственно, с ГДВ. Однако существует мнение [84], что увеличение ионизации на ПСП вызывается в результате выноса плазмы с повышенной концентрацией из дневного каспа. Согласно экспериментальным данным [11,14] от ПСП имеют место интенсивные критические отражения радиоволн. Такие отражения с магнито-ионным расщеплением дают основание рассматривать ПСП как структуру в виде "толстого" слоя.

55 ЪП5

Инвариантная широта (град.)

Рис. В2. Структурные особенности высокоширотной ионосферы в спокойных условиях:

ПП - силовая линия плазмопаузыы, ПСП - полярная стенка провала, ЭСП - экваториальная стенка провала, М - минимум провала, Гй - неоднородности Г - области, Ен- неоднородности Е - области, СПб - широта Санкт - Петербурга, 3-7 - плазменные частоты, МГц

Важным обстоятельством является то, что ПСП и ГДВ соответствуют плазмопаузе. Это соответствие может прослеживаться по связи с магнитосферным электрическим полем, в существенной степени влияющим на образование плазмопаузы и провала [15]. Положение данных структур лучше описывать с помощью Ь-оболочек (параметр Ь равен отношению расстояния от центра Земли до силовой линии магнитного поля над экватором Я к радиусу Земли Яо, то есть Ь = Я / Яо ). На основе измерений со спутников установлено, что в магнитосфере (рис. В1) имеется внутренняя область, простирающаяся до Ь

п _о

= 3-4, где электронная концентрация Ие ~ 10 м " , и внешняя область с меньшей концентрацией 1Че ~ 107 м ~3 на Ь-оболочках Ь > 4 [39]. Резкий перепад

концентрации в радиальном направлении имеет название "колено". Внутренняя область называется плазмосферой, внешняя - плазменным слоем, а граница между ними - плазмопаузой (этот термин будет использоваться в дальнейшем). Положение внешней границы плазм о сферы (плазмопаузы) на ночной стороне можно определить из выражения (1.3). Геоцентрическое расстояние плазмопаузы изменяется в зависимости от геомагнитной активности и уменьшается с ростом Кр (плазмопауза приближается к Земле).

Результаты экспериментальных измерений пространственных вариаций электронной концентрации в области главного ионосферного провала, а также на внешней границе плазмосферы показывают следующее. По данным [76] вблизи полюсной кромки ГИП на отрезке пути длиной порядка 100 км электронная концентрация в Р-области ионосферы повышается от значений примерно 1Че = Ю!0 до 1Че = 1011 м На внешней границе плазмосферы вблизи

плазмопаузы на расстоянии в несколько: сотен километров в радиальном направлении объемная плотность частиц падает на два, а иногда и более порядков [38].

С Ь-оболочкой ГДВ связан ряд важных геофизических явлений на уровне ионосферы: резкий градиент магнитосферного электрического поля, граница конвекции и граница продольного тока, характерные резкие изменения параметров ионосферы в Б-области, неоднородности электронной концентрации, изменения в распространении радиоволн, волн типа свистов и т.д. Поэтому возможность оперативного контроля положения ГДВ является важной задачей.

Известно, что наиболее важен мониторинг с систематической выдачей тех или иных индексов, характеризующих геофизическую обстановку. Широта ГДВ (или проекция плазмопаузы) именно и представляет собой наглядный и эффективный индекс геофизической активности во внутренней магнитосфере. Он имеет простой физический смысл. Мгновенное определение положения ГДВ наземными средствами наблюдения позволяет уверенно прогнозировать условия распространения радиоволн в субавроральной зоне на несколько часов. Это важно для радиосвязи с самолетами, кораблями, а также для навигации, радиолокации и т.п. Преимущество наземных наблюдений состоит в том, что мониторинг может вестись в данном регионе почти в непрерывном режиме, тогда как с помощью спутниковых измерений - с интервалами только 1,5 - 2 ч. В США данные о положении ГДВ уже используются в качестве индекса геофизической активности, определяющего картину конвекции, поток энергии вторгающихся частиц и др. [71].

Также известно, что существует связь между величиной планетарного

: Ю :

индекса Кр и положением плазмопаузы [6]. Поэтому можно рассматривать

индекс Кр как пространственный параметр, который показывает максимальное

приближение к Земле плазмопаузы во время магнитных возмущений. С другой

стороны, существует связь между положением минимума ГИП и величиной Кр

для магнитных суббурь в условиях зимнего периода. Это приводит к выводу, что

в рассматриваемых условиях определенную роль в формировании ГИП играет

плазмопауза, ее образование и динамика. Тем самым, диагностика положения

плазмопаузы и ее связь с геофизическими факторами очень важна для понимания

механизмов формирования ГИП , поскольку во время продолжительных

возмущений ГИП формируется внутри плазмосферы.

До последнего времени проводилось мало сопоставлений одновременных

измерений положения плазмопаузы и параметров ГИП на высотах Г-области

ионосферы. Такие сведения можно получить из следующих экспериментов:

• наземные наблюдения полярной стенки провала и положения плазмопаузы;

• наземные наблюдения ГИП и определение положения плазмопаузы по данным спутников;

• измерения параметров ГИП и положения плазмопаузы по одновременным наблюдениям со спутников на разных высотах в ионосфере и в плазмосфере.

Волноводное распространение электромагнитных волн вдоль силовых линий магнитного поля Земли является одним из перспективных направлений изучения структурных особенностей околоземной плазмы и ее диагностики. Известно, что практически во всем низкочастотном диапазоне (НЧ) от 20 кГц до 0,5 Гц наблюдается распространение электромагнитных волн вдоль силовых линий магнитного поля Земли [2,19,29]. Условия захвата пакетов НЧ волн в

неоднородные магнитосферные каналы ограничены по частоте «сверху» гирорезонансным обрезанием НЧ волн на частотах со = шНо / 2, где соНо -локальная гирочастота электронов в апогее траектории волны, то есть в области, где силовая линия проходит над магнитным экватором [2]. Эксперименты по исследованию аномальных механизмов распространения декаметровых радиоволн показали, что в некоторых случаях в диапазоне частот 9-11 МГц реализуется волноводное распространение радиоволн вдоль силовых линий магнитного поля Земли в средних и низких широтах [4,72]. При этом длина траектории распространения не превышала 14,0 тыс. км [4] и 24,2 тыс. км [72]. Наблюдения на ИСЗ "АЛУЭТТ" в низких широтах при внешнем зондировании ионосферы свидетельствуют о том, что некоторые виды отражений от экваториальной F-области можно интерпретировать как результат распространения гектометровых радиоволн (СВ) в магнитосферных каналах вдоль силовых линий магнитного поля [81]. На подобный же механизм распространения СВ указывают исследования, выполненные в Австралии [67, 68, 69].

В некоторых, исключительно редких, случаях в декаметровом диапазоне радиоволн регистрировались радиоэхо с большими временными задержками относительно излученных сигналов в единицы и десятки секунд, так называемые "long-delay echo" (LDE) [80, 90]. LDE наблюдались в диапазоне частот 7-28 МГц, наиболее часто от 10 до 14 МГц. Имеются указания на повышение вероятности приема LDE в условиях хорошего прохождения обычных и кругосветных сигналов (высокая солнечная и низкая магнитная активность). Временные задержки, как правило, были различными для нескольких

последовательностей сигналов, что свидетельствует о возможности реализации различных механизмов возникновения ЬОЕ. Одним из возможных механизмов возникновения ЬБЕ служит трансформация электромагнитных волн в плазменные на частотах со = <х>ь или © = /ссон, гДе ©ь - верхняя гибридная частота, сон - гирочастота электронов и к - номер гармоники [90]. Убедительным аргументом в пользу этого механизма является значительное доплеровское смещение частоты принимаемых сигналов, которое наблюдалось в ряде экспериментов [90].

Таким образом, результаты имеющихся экспериментальных исследований показывают возможность волноводного распространения в магнитосфере как длинных волн, так и при определенных условиях средних и коротких радиоволн. Однако, в средневолновом диапазоне (СВ) от 300 кГц до 3 МГц к настоящему времени практически отсутствуют как экспериментальные, так и теоретические данные, свидетельствующие о возможности распространения СВ в магнитосферных каналах вблизи плазмопаузы при излучении радиосигналов с поверхности Земли.

Цель диссертационной работы - изучение специфических особенностей волноводного распространения средних радиоволн с поверхности Земли на внешней границе плазмосферы, которое может быть использовано для контроля положения плазмопаузы, состояния субавроральной ионосферы и для прогноза радиоканалов. При этом принципиален вопрос определения условий, при которых осуществляется волноводное распространение средних радиоволн вдоль силовых линий магнитного поля. Ставится задача смоделировать условия волноводного распространения и провести расчеты на ЭВМ траекторий волн,

групповых задержек и других параметров сигналов.

I

Научная новизна работы заключается в следующем.

I

I

1. Выявлен и исследован эффект волноводного распространения средних радиоволн ( f = 1,8 МГц) вдоль силовых линий магнитного поля при излучении радиосигналов с поверхности Земли. Необычным участком канала является главный ионосферный провал. Распространение средних волн в магнитосферном канале (части пути распространения луча в магнитосфере) происходит практически без потерь и только в периоды магнитосферных суббурь. I

2. Количественно '¡смоделирован процесс магнитосферного распространения сигналов средневолнового диапазона. Показано, что:

а) волноводное распространение средних волн возможно благодаря наличию ионосферного провала и плазмопаузы при четких соотношениях между положениями провала, плазмопаузы и передатчика; низких значениях 1^2 ^± 0,3

МГц) и низких градиентах электронной концентрации вдоль магнитной силовой линии;

]

б) диапазон частот прохрдящих волн определяется не только электронной

I

концентрацией, но и относительным положением передатчика, провала и плазмопаузы.

3. Наблюдением эхо-сигналов в сопряженной области возможно получение информации как о местонахождении источника, так и о параметр