close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование реакции нижней ионосферы на гелиогеофизические возмущения по данным высокоширотных наблюдений электромагнитного поля в СНЧ диапазоне

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Лебедь Ольга Михайловна
Исследование реакции нижней ионосферы на
гелиогеофизические возмущения по данным
высокоширотных наблюдений
электромагнитного поля в СНЧ диапазоне
Специальность 25.00.29 —
«физика атмосферы и гидросферы»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
Апатиты — 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном
учреждении «Полярный геофизический институт» (ПГИ).
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент
Федоренко Юрий Валентинович
Официальные оппоненты:
Копытенко Юрий Анатольевич,
доктор физико-математических наук, профессор,
Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук,
директор, заведующий Отделом геомагнитных исследований
Лукьянова Рената Юрьевна,
доктор физико-математических наук,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской
академии наук,
главный научный сотрудник
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Южный федеральный университет» (ЮФУ)
Защита состоится « 11 » мая 2016 г. в 13 часов на заседании совета Д
212.232.35 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургского
государственного университета по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Средний пр., В.О., дом 41/43, ауд. 304.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ и на сайте
http://spbu.ru.
Автореферат разослан «
»
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.232.35, кандидат
физико-математических
наук
2016 г.
Кубышкина М. В.
Общая характеристика работы
Изучение реакции нижней ионосферы Земли на вторжения потоков высокоэнергичных протонов от вспышек на Солнце, представляет несомненный интерес как для фундаментальных исследований физических процессов в ионосфере и магнитосфере Земли, так и для решения ряда
практических задач, таких как учет влияния ионосферы на результаты электромагнитного зондирования земной коры и организация связи в сверхнизкочастотном (СНЧ, 30 — 300 Гц) диапазоне. Потоки солнечных рентгеновских
лучей и высокоэнергичных протонов изменяют профиль электронной концентрации  (ℎ) нижней ионосферы, особенно в авроральной области, вызывая
так называемые гелиогеофизические возмущения. Высоты D-слоя ионосферы (ℎ ≈ 60 − 90 км) слишком низки для спутниковых измерений и слишком
велики для аэростатных. Наиболее достоверные сведения о поведении  (ℎ)
в D–слое ионосферы получают измерениями при помощи приборов, установленных на ракетах. Эти измерения дороги, проводятся эпизодически и в ограниченном числе мест. Наземные способы измерений включают в себя методы
кроссмодуляции, частичных отражений и некогерентного рассеяния. Однако,
метод некогерентного рассеяния трудно применим для ночной D–области, когда концентрация электронов становится ниже 103 см−3 . Для исследования
высокоширотной нижней ионосферы также используются измерения амплитуд и фаз сигналов сверхдлинноволновых (СДВ) передатчиков на авроральных трассах. Область отражения СДВ волн в среднем находится в нижней
части D–слоя (55–65 км), где трудно получить достоверные значения  (ℎ)
даже измерениями на ракетах. Однако, после отключения навигационной системы «Омега» не осталось высокоширотных СДВ-трасс.
Нижняя ионосфера влияет на условия распространения естественных
электромагнитных (ЭМ) возмущений СНЧ диапазона от молниевых разрядов. Такие возмущения всегда присутствуют в волноводе Земля ионосфера.
Существенными для распространения СНЧ волн являются высоты 70–95 км
ночью и 55–80 км днем. Экспериментальное исследование поведения скорости
распространения и структуры поля СНЧ ЭМ возмущений дает возможность
получить новые сведения о влиянии гелиогеофизических возмущений на характеристики высокоширотной ионосферы на этих высотах. Для прикладных
задач важно, что измерения ведутся на частотах, практически совпадающих
с частотами ЭМ зондирования литосферы и частотами, используемыми для
организации связи с подводными лодками.
Актуальность темы.
1
данной работы является исследование реакции нижней ионосферы
на гелиогеофизические возмущения по данным высокоширотных наблюдений
ЭМ полей в СНЧ диапазоне.
Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие задачи:
Целью
1. Рассмотреть имеющиеся подходы и методы, применяемые для анализа изменений в нижней ионосфере под влиянием гелиогеофизических возмущений, проанализировать модели распространения, аппаратурные решения
и методы обработки цифровых записей компонент ЭМ поля;
2. Разработать аналоговую часть измерительного преобразователя компоненты  в напряжение и метод определения его функции передачи, необходимые для измерения скорости распространения и волнового импеданса
ЭМ возмущений;
3. Разработать алгоритмы предварительной обработки записей компонент
ЭМ поля, включающие преобразование различающихся частот дискретизации на пространственно разнесенных станциях к единой частоте, преобразование отсчетов данных в напряженности компонент поля, удаление
помехи 50 Гц и ее гармоник и отбор ЭМ возмущений, пригодных для оценки их скорости распространения и волнового импеданса;
4. Произвести измерения скорости распространения и волнового импеданса
ЭМ возмущений в авроральной области и исследовать особенности их поведения в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод расчета амплитудно-частотной и измерения фазо-частотной характеристик измерительного преобразователя вертикальной компоненты
электрического поля в напряжение;
2. Методы и алгоритмы обработки цифровых записей компонент ЭМ поля, включающие преобразование различающихся частот дискретизации
на пространственно разнесенных станциях к единой частоте, преобразование цифровых отсчетов данных в напряженности компонент поля, удаление помехи 50 Гц и ее гармоник и отбор ЭМ возмущений, пригодных
для оценки их скорости распространения и волнового импеданса;
3. Выявленные автором особенности поведения скорости распространения и
волнового импеданса ЭМ возмущений и их связи с проводимостью высокоширотной нижней ионосферы в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях.
2
Научная новизна:
1. Разработана и применена методика определения функции передачи измерительного преобразователя вертикальной компоненты электрического
поля в напряжение, особенностями которой является расчет амплитудночастотной и измерение фазо-частотной характеристик;
2. Впервые разработан и применен метод восстановления напряженностей
компонент поля из результатов оцифровки выходных напряжений измерительных преобразователей, отличающийся от известных возможностью
вести обработку потоков цифровых данных в реальном времени;
3. Впервые проведены прямые измерения скорости распространения и волнового импеданса ЭМ возмущений в авроральной области в спокойных и
возмущенных гелиогеофизических условиях;
4. Выявлены неизвестные ранее особенности изменения скорости и волнового импеданса в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях
и установлена их связь с проводимостью высокоширотной нижней ионосферы.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в получении новых сведений о реакции высокоширотной нижней ионосферы на гелиогеофизические возмущения, проявляющейся в изменениях пространственной структуры поля естественных ЭМ возмущений в СНЧ диапазоне. Ее результаты показали возможность проведения мониторинга изменений профиля проводимости и возникновения локальных неоднородностей нижней ионосферы по данным наземных наблюдений ЭМ полей, что может быть использовано при интерпретации результатов электромагнитного зондирования в
арктическом регионе и проектировании приемно–передающих устройств для
связи с погруженными объектами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных Апатитских семинарах «Физика авроральных явлений» (Апатиты, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015), на конференции «Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких широтах» (Мурманск, 2010), на международной научно-технической
конференции «Наука и образование - 2011» (Мурманск, 2011), на ежегодных
конференциях молодых ученых «Высокоширотные геофизические исследования» (Мурманск, 2011, 2012, 2013, 2015), на всероссийской конференции
«Глобальная электрическая цепь» (Борок, 2013), на ежегодных конференциях «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, 2013, 2015)
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации,
получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. В
большинстве публикаций по теме диссертации автору принадлежит ведущая
3
роль в постановке задачи, поиске путей решения, выполнении соответствующих расчетов и интерпретации результатов.
Достоверность работы. Достоверность результатов подтверждается результатами статистической обработки данных и согласованностью данных
наблюдений и научных выводов. Основные результаты обсуждались на различных конференциях и получили одобрение ведущих специалистов.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 16 печатных изданиях, из них 5 в журналах из списка ВАК, 11 – в трудах конференций.
Благодарности. Огромную признательность и искреннюю благодарность я
выражаю всем, кто своим заинтересованным участием способствовал успеху
проведенных исследований: своему научному руководителю Ю.В. Федоренко
за постоянную поддержку и неоценимую помощь в работе над диссертацией,
сотрудникам сектора № 302 Полярного геофизического института за ценные
обсуждения и замечания, а также сотрудникам обсерваторий «Ловозеро» и
«Баренцбург» за высокопрофессиональное проведение экспериментов.
Содержание работы
обосновывается актуальность исследований, проводимых в
рамках данной диссертационной работы, приводится краткий обзор научной литературы по изучаемой проблеме, определяется цель и ставятся задачи представляемой к защите работы, формулируются ее научная новизна
и практическая значимость.
В первой главе диссертации содержится обзор литературы по особенностям влияния солнечных вспышек на нижнюю ионосферу и существующим
моделям распространения ЭМ сигналов, а также по аппаратурным решениям
и методам измерений, позволяющим исследовать изменения состояния нижней ионосферы под влиянием гелиогеофизических возмущений.
В ряде работ показано, что в начале солнечной вспышки резко увеличивается энергия ультрафиолетового и рентгеновского излучения, вызывая дополнительную ионизацию ионосферных слоев D и E. Позже происходит вторжение высокоэнергичных протонов, также ионизирующих нижнюю
ионосферу и атмосферу вплоть до земной поверхности, что приводит к увеличению поглощения радиоволн и нарушениям радиосвязи в широком диапазоне частот. Эти эффекты наиболее ярко проявляются в высоких широтах.
Изменения в D–слое ионосферы влияют на скорость и структуру поля СНЧ
радиоволн, что дает возможность исследования этих изменений с привлечением данных наземной регистрации СНЧ ЭМ полей на двух разнесенных
высокоширотных станциях.
Во введении
4
Проведенный анализ моделей распространения, связывающих профили электронной концентрации  (ℎ) или проводимости (ℎ) со структурой
поля и скоростью распространения ЭМ возмущений, показал, что для решения стоящих перед автором задач подходит модель волновода с бесконечно проводящей земной поверхностью [A16] и сферически слоистой изотропной ионосферой с экспоненциальным высотным профилем проводимости
 (ℎ) = 0  exp((ℎ − ℎ1 ) /). Связь (ℎ) с фазовой скоростью распространения ЭМ возмущений ph и их приведенным волновым импедансом /0 определяется уравнением
√︁
ph ≈  ℎ1 /ℎ2 , /0 = Re[ / ]/120 = −/ph
(1)
Здесь  и  – измеряемые на земной поверхности вертикальная компонента
электрического поля и тангенциальная компонента магнитного поля, соответственно, компоненты  =  =  = 0,  (ℎ1 ) = 0  и  (ℎ2 ) = 1/40  2 ,
 – шкала высот [3]. Так как параметр  слабо изменяется во время вторжения
протонов [6], по результатам измерений ph можно не только зафиксировать
факт изменения профиля проводимости нижней ионосферы во время солнечной вспышки, но и оценить сам профиль проводимости. Измерения  в
принципе дают возможность оценить ph по данным одной станции.
В результате обзора аппаратурных решений показано, что имеющаяся
аппаратура для записи горизонтальных компонент магнитного поля ( и
 ), установленная в обс. Ловозеро и обс. Баренцбург, подходит по техническим характеристикам для решения задач диссертации, однако эти наблюдения необходимо дополнить измерениями  .
описаны разработанные автором измерительный преобразователь  в напряжение и метод измерения аргумента функции передачи (или фазочастотной характеристики, ФЧХ) и расчета ее модуля (или
амплитудно-частотной характеристики, АЧХ) [A4, A15].
Схема входной цепи измерительного преобразователя приведена на
рис. 1. Пунктиром выделены элементы антенны: собственная емкость  ,
Во второй главе
Антенна
Рис. 1: Эквивалентная схема входной цепи антенного усилителя  .
емкость антенна–земля  и емкость  кабеля, соединяющего антеннy с усилителем. Остальные элементы установлены на плате усилителя. Функция пе-
5
редачи этой схемы

2  ℎeff
= 2
.
(2)

 1 1 2 + ((1 + )2 + 1 ) + 1
В предложенном автором методе измерения ФЧХ к точке соединения
кабеля антенны и усилителя через емкость  подается синусоидальное напряжение  [A11]. Если  ≪  и  gen ≫  ℎeff  ,  =  +  +  ,
то аргументы функций передачи  =  / и  = out /gen совпадают.
Эти условия выполняются при gen порядка 10 – 20 В и  = 50 − 150 пФ.
В работе показано, что при изменении  от 50 до 150 пФ arg[ ()] изменяется пренебрежимо мало. Отсюда следует, что измеренный предложенным
в работе способом arg[ ()] (или ФЧХ) не зависит от выбора  и совпадает с arg[ ()]. При определении | ()| емкость  и действующая высота
антенны ℎeff были рассчитаны, а суммарная емкость  измерена на действующей антенне. Согласно [7] значение  такого типа антенны определяется
с относительной ошибкой около 2%. При оценке ℎeff была измерена высота
антенны и учтено провисание проводов. Относительная ошибка найденной
таким образом АЧХ не превысила 3-4%. Погрешности определения аргумента и модуля функции передачи регистратора  приемлемы для обеспечения
достоверности проведенных автором измерений как волнового импеданса, так
и действительной и мнимой частей вектора Пойнтинга.
 () =
описан разработанный и реализованный автором набор алгоритмов, предназначенный для предварительной обработки цифровых записей компонент ЭМ поля. Он обеспечивает преобразование различающихся
частот дискретизации на пространственно разнесенных станциях к единой
частоте, преобразование цифровых отсчетов данных в напряженности компонент поля, удаление помехи 50 Гц и ее гармоник и отбор участков записей
ЭМ возмущений, пригодных для измерения их скорости распространения и
волнового импеданса.
Частоты дискретизации АЦП на станциях могут слегка изменяться во
времени независимо друг от друга. При этом возникают значимые отличия
между временами цифровых отсчетов в обс. Ловозеро и в обс. Баренцбург,
что недопустимо при совместной обработке данных. Автором разработан преобразователь частоты дискретизации, позволяющий сохранить высокую точность привязки отсчетов сигнала к мировому времени, обеспечивающий мощность ошибок интерполяции ниже мощности ошибок дискретизации и предусматривающий возможность обработки сколь угодно длинных файлов [A2,
A7]. Разработанный алгоритм позволяет переходить к новой произвольно заданной частоте дискретизации даже в том случае, если исходная частота дискретизации медленно меняется. При этом отсчеты полученного сигнала точВ третьей главе
6
но привязаны ко времени и разделены заданными временными интервалами,
обеспечивая синхронность отсчетов в обс. Ловозеро и обс. Баренцбург.
Каждая сохраняемая в файлах запись компоненты ЭМ поля является
сверткой напряженности поля и импульсной функции регистратора. Автором
решена задача преобразования этих записей в отсчеты компонент поля. Основываясь на том, что функции передачи аналоговой части регистраторов электрической и магнитных компонент являются дробно-рациональными функциями, а анализ временных зависимостей компонент поля ведется в ограниченной полосе частот с шириной, меньшей ширины полосы частот регистратора, предложен метод решения обратной задачи получения напряженностей
компонент поля из отсчетов АЦП. Схема метода приведена на рис. 2.
Инверсный фильтр
Регистратор
E s
Компоненты
поля в А/м и В/м
s
s
sE s
s
inv
Компоненты
поля в ед. АЦП
s
Us
Vs
s
s
Us
Vs
E s
Компоненты
поля в А/м и В/м
 – измеряемая компонента поля,  = ,, ,  () / () – функции передачи каналов
регистратора в виде дробно-рациональной функции аргумента  =  ,  () / () – унифицированная функция передачи, inv () – инверсный фильтр для –й компоненты.
Рис. 2: Функциональная схема метода восстановления компонент поля.
Для обработки длинных участков записей и применения в системах
реального времени полюса и нули инверсных фильтров inv () можно преобразовать при помощи билинейного или любого другого известного преобразования в коэффициенты цифровых фильтров с бесконечной импульсной
характеристикой. После обработки записей инверсными фильтрами результирующие АЧХ и ФЧХ компонент будут одинаковы в выбранной полосе частот
у всех измерительных каналов на всех станциях, а отсчеты компонент поля
представляют  ,  и  в А/м и в В/м.
Для подавления индустриальных помех автором был разработан и
применен комбинированный метод, учитывающий специфику помех в обс.
Ловозеро и обс. Баренцбург [A1, A6, A8, A9]. Он включает в себя оценку амплитуды и фазы помех с частотами гармоник промышленной сети 100 и 150
Гц с их последующим вычитанием из сигнала и подавление помех 82 ± 2 Гц и
164 Гц, не являющихся гармониками сети, на краях рабочей полосы пропускания при помощи режекторных фильтров. При этом исключается «затягивание» импульсов высокодобротными режекторными фильтрами, неизбежное
при их применении во всей полосе частот. Выделение полосы частот для измерения скорости и волнового импеданса ЭМ возмущений осуществлялось с
помощью фильтра с центральной частотой 130 Гц и эффективной шириной
полосы 35 Гц.
7
Для отбора ЭМ возмущений, подходящих для измерения скорости и
волнового импеданса, из записей компонент поля, содержащих импульсные
помехи, применялись критерии, вытекающие из свойств ТЕМ моды, на которой распространяются ЭМ возмущения СНЧ диапазона:
ˆ Поляризация магнитного поля близка к линейной;
ˆ Мнимая часть вектора Пойнтинга мала по сравнению с действительной;
ˆ Волновой импеданс отличается от импеданса свободного пространства не
более чем в 2–3 раза;
ˆ Импульс ЭМ возмущения присутствует в Ловозеро и в Баренцбурге, причем отношение амплитуд импульсов не меньше ∼0.7, что соответствует
максимальному затуханию на частоте 130 Гц;
ˆ Направления вектора Пойнтинга в Ловозеро и Баренцбурге различаются
не более чем на 5–10∘ .
Эти критерии позволяют отобрать ЭМ возмущения, отвечающие выбранной
автором модели распространения СНЧ радиоволн [3].
содержит результаты непрерывных измерений групповой
скорости распространения и волнового импеданса ЭМ сигналов, выявленные
особенности их изменений в спокойных и возмущенных гелиогеофизических
условиях и анализ их связи с изменениями проводимости высокоширотной
нижней ионосферы.
Групповая скорость распространения ЭМ возмущений gr определялась по разности времен прихода атмосфериков  в Баренцбург и Ловозеро,
расстояние между которыми составляет  ≈ 1300 км. Значение  оценивалось
по координате пересечения оси времени производной от огибающей кроссBAB
корреляционной функции горизонтальных компонент магнитного поля hrz
LOZ
и hrz
, вычисляемых как hrz =  sin  −  cos . Здесь  и  – компоненты магнитного поля в обс. Ловозеро или обс. Баренцбург,  – направление
волновой нормали, которое у ТЕМ-волны совпадает с направлением вектора
Пойнтинга S = [E×H* ] с компонентами  = − * и  =  * , «*» – знак
комплексного сопряжения. Влияние ошибок измерения  минимально у ЭМ
возмущений, распространяющихся вдоль дуги большого круга, проходящей
через Баренцбург и Ловозеро. Эта линия проходит через экваториальную зону на 25 − 30∘ восточнее максимума плотности вероятности распределения
гроз африканского очага и на 35 − 45∘ западнее азиатского грозового очага. Чтобы обеспечить статистически значимый размер выборки при таком
расположении регистрирующих станций и грозовых очагов для дальнейшего
анализа отбирались ЭМ возмущения, направления распространения которых
лежат внутри сектора ±35∘ градусов от оптимального.
Четвертая глава
8
Статистический анализ измерений  и  показал, что связь между ними не описывается с достаточной точностью формулой для плоского волнового фронта gr =  cos / [A13]. По-видимому, это происходит из-за местного искажения структуры ЭМ поля неоднородностями земной коры, которые
трудно учесть аналитически. В настоящей работе связь между  и  аппроксимирована полиномом третьей степени  (), коэффициенты которого
получены из уравнения регрессии  по . Применение формулы
gr =  () /
(3)
Phase Velocity, 103 km/s
вместо gr =  cos / позволило минимизировать влияние локальных искажений структуры поля на оценки gr на трассе Ловозеро-Баренцбург. Приве(︀
)︀
LOZ
денный волновой импеданс определялся как /0 = Re  /hrz
/120 .
Для анализа вариаций скорости распространения и волнового импеданса ЭМ возмущений в спокойных гелиогеофизических условиях был
выбран период с 1 по 20 октября 2011 г. [A3, A5, A10, A12]. Результаты
измерений групповой скорости распространения показали, что в это время наблюдался ее регулярный суточный ход, совпадающий с ходом зенитного угла Солнца. Днем скорости были минимальны и изменялись примерно от 230 тыс. до 243 тыс. км/с, а ночью – максимальны, их значения варьировались примерно от 260 тыс. до 274 тыс. км/с. Суточный ход скорости объясняется влиянием Солнца на нижнюю ионосферу. Формирующийся днем D-слой ионосферы изменяет ее профиль проводимости и приводит к снижению скорости распространения. Следовательно, наблюдаемый суточный ход скорости определяется локальным состоянием нижней ионосферы в окрестности трассы Ловозеро-Баренцбург.
В волновом импедансе в спокойных усло260
виях также наблюдался регулярный суточ250
ный ход, /0 изменялся от 1.4 ночью до
240
1.6 днем. Он был обратен суточному ходу
скорости распространения, что согласуется
230
со сферически–слоистой моделью ионосфе220
ры (1).
5
0
10
15
20
Hours of a Day
Поскольку, как показали измереРис. 3: Полученная из измеренной ния, в спокойных условиях проводимость
групповой (пунктирная линия) и
оцененная по волновому импедансу нижней ионосферы хорошо описывается
сферически–слоистой моделью, мы сравнили
(сплошная линия) фазовые
скорости распространения ЭМ
фазовую скорость, полученную через волновозмущений.
вой импеданс в Ловозеро с помощью (1), и
фазовую скорость, рассчитанную из измеренной групповой (см. рис. 3). Переход от групповой скорости к фазовой осуществлялся с помощью выражения
9
(︁√︁
)︁
− ℎ1 / (gr ) с параметрами ℎ1 и  , характерph = 
− ) +
ными для невозмущенной ионосферы.
В спокойных гелиогеофизических условиях локальные изменения 
вблизи точки наблюдения совпадают со средними условиями вдоль трассы
распространения ЭМ возмущений, поэтому скорость и волновой импеданс
ведут себя в соответствии с формулой (1), а амплитуда изменений фазовой
скорости, полученной из измеренной групповой, практически одинакова с амплитудой изменений фазовой скорости, рассчитанной из  . Это демонстрирует возможность оценки локальной скорости распространения в спокойных
условиях по данным только одной станции.
Для того, чтобы исследовать влияние гелиогеофизических возмущений на вариации скорости распространения и волнового импеданса ЭМ возмущений на трассе Ловозеро-Баренцбург, лежащей в авроральных широтах,
мы проанализировали три характерных случая. На рис. 4 приведен первый из
них – период со 2 по 14 марта 2012 г. В спокойных гелиогеофизических усло2 ℎ21
pk9ucm2,s,srl
Z9Zb
Group,Velocity7,db3,km9s
2 (2ℎ
gr
1
March,2bd2
28b
аl
27b
26b
25b
24b
23b
22b
2db
бl
2h6
2h4
2h2
2
dh8
dh6
dh4
dh2
d
db6 EPEAD,Protons,5amin:,pBu>d,MeVlc7,pBu>5,MeVlc7,pBu>dbMeVlc7,B=West
pBu>3bMeVlc7,pBu>5b,MeVlc7
db4 pBu>6b,MeVlc7,pBu>dbb,MeVlc
вl
db2
dbb
Absorbtion7,dB
dba2
5
гl
4
3
2
d
b
b2
b3
b4
b5
b6
b7
b8
Days
b9
db
dd
d2
d3
d4
Рис. 4: 2 - 14 марта 2012 г.: а) Групповая скорость распространения атмосфериков на
трассе Ловозеро-Баренцбург; б) волновой импеданс в обс. Ловозеро; в) поток протонов
(GOES-15); г) риометрическое поглощение (обс. Ивало).
виях (со 2 по 5 марта) для групповой скорости и волнового импеданса харак10
терны регулярные суточные изменения, аналогичные зарегистрированным в
октябре 2011 г. Это свидетельствует об одинаковом характере поведения скорости распространения ЭМ возмущений и волнового импеданса в спокойных
условиях. После вспышки на Солнце 5 марта регистрировался относительно
небольшой, до 20 + см−2 с−1 ср−1 , поток солнечных протонов с энергиями выше 10 МэВ. Данное гелиогеофизическое возмущение вызвало смещение хода
измеренной групповой скорости распространения ЭМ возмущений в сторону уменьшения примерно на 20 тыс. км/с. Это может свидетельствовать об
уменьшении действующей высоты волновода вследствие изменения профиля
проводимости ионосферы во время возмущения. Волновой импеданс, измеренный в обс. Ловозеро, как и риометрическое поглощение, измеренное в обс.
Ивало, не отреагировали на вторжение потока протонов непосредственно после вспышки 5 марта. Вероятно, это связано с тем, что обсерватории находятся южнее области проникновения протонов, обусловленной геомагнитным
обрезанием. Модель Штёрмера [9] устанавливает границу области проникновения протонов с энергиями порядка 50 МэВ на географической широте
около 70∘ , при этом обе обсерватории находятся значительно южнее границы
этой области. Если изменения проводимости ионосферы имели место на высокоширотной части трассы Ловозеро-Баренцбург, это объясняет изменения
средней групповой скорости распространения на трассе и отсутствие изменений волнового импеданса и риометрического поглощения в окрестности обс.
Ловозеро и обс. Ивало. После солнечной вспышки X-класса 7 марта 2012 г.
наблюдалась смена режима суточных изменений групповой скорости ЭМ возмущений, сопровождаемая резким увеличением потоков высокоэнергичных
протонов. Вместо ожидаемых максимумов скорости ночью мы наблюдали
минимумы, а вместо минимумов днем – максимумы. Данная смена режима
изменения скорости не описывается сферически-слоистой моделью ионосферы, и, скорее всего, связана с возникновением неоднородностей в ионосфере
в окрестности трассы Ловозеро–Баренцбург [A14]. В волновом импедансе в
это время наблюдались выраженные всплески, максимумы которых превышают его среднее значение более чем в 2 раза. Риометрическое поглощение
также возрастало в этот период. Область проникновения протонов [9] с энергиями 100 МэВ и выше, присутствующими в данном случае, включает обс.
Ловозеро и обс. Ивало. Таким образом, наблюдаемое вблизи обс. Ловозеро
значительное возрастание волнового импеданса в сторону увеличения относительно его средних значений можно объяснить присутствием локальной
неоднородности, и, как следствие, отклонением от сферически-слоистой модели ионосферы.
11
Второй рассмотренный случай (рис. 5, ноябрь-декабрь 2011 г.), аналогичен предыдущему (рис. 4). Здесь также наблюдается связь измеренной
November/WDecemberWdlkk
p+u9cmdWsWsra
ZuZl
GroupWVelocity/Wkl3Wkmus
d8l
аa
d7l
d6l
d5l
d4l
d3l
ddl
dkl
dG6
dG4
dGd
d
kG8
kG6
kG4
kGd
k
бa
kl6 EPEADWProtonsW5Zmin:WpB9>kWMeVac/WpB9>5WMeVac/WpB9>klMeVac/WB=West
pB9>3lMeVac/WpB9>5lWMeVac/
kl4 pB9>6lWMeVac/WpB9>kllWMeVac
вa
kld
kll
Absorbtion/WdB
klZd
5
гa
4
3
d
k
l
dk
dd
d3
d4
d5
d6
d7
d8
d9
Days
3l
lk
ld
l3
l4
l5
l6
l7
Рис. 5: 21 ноября - 7 декабря 2011 г.: а) Групповая скорость распространения
атмосфериков на трассе Ловозеро-Баренцбург; б) волновой импеданс в обс. Ловозеро; в)
поток протонов (GOES-15); г) риометрическое поглощение (обс. Ивало).
групповой скорости распространения ЭМ возмущений с потоком высокоэнергичных протонов. С 26 по 29 ноября, когда спутником GOES-15 регистрировались повышенные значения потока протонов, значения скорости распространения на трассе Ловозеро-Баренцбург были ниже тех, что были измерены в спокойных гелиогеофизических условиях. Поскольку данная солнечная вспышка была достаточно слабой, можно предположить, что возмущения проводимости ионосферы затронули только часть трассы ЛовозероБаренцбург, где измерялась скорость распространения ЭМ возмущений, но
не достигли обс. Ловозеро, где измерялся волновой импеданс. Это обусловило
отсутствие реакции импеданса и риометрического поглощения на эти гелиогеофизические возмущения при наличии изменений поведения измеренной
скорости. Возникновение возмущенной геомагнитной обстановки 29 марта
привело к небольшому кратковременному повышению риометрического поглощения. В данном случае видно, что волновой импеданс не отреагировал
12
на геомагнитное возмущение. Это свидетельствует об отсутствии зависимости
волнового импеданса от общей геомагнитной обстановки и говорит в пользу
предположения, что волновой импеданс определяется локальным состоянием
волновода Земля-ионосфера в окрестности места регистрации.
Третий случай приведен на рис. 6. Здесь рассматривается солнечная
вспышка, произошедшая 22 октября 2011 г. По данным спутника GOES-15 в
October>2kdd
Group>VelocityZ>dk3>kmls
28k
а9
27k
26k
25k
24k
23k
22k
2dk
2u6
б9
2u4
2u2
ZlZk
2
du8
du6
du4
p/lycm2>s>sr9
du2
d
dk6 EPEAD>Protons>5Gmin:>pBy>d>MeV9cZ>pBy>5>MeV9cZ>pBy>dkMeV9cZ>B=West
pBy>3kMeV9cZ>pBy>5k>MeV9cZ
dk4 pBy>6k>MeV9cZ>pBy>dkk>MeV9c
в9
dk2
dkk
AbsorbtionZ>dB
dkG2
5
г9
4
3
2
d
k
d9
2k
2d
22
23
24
25
Days
26
27
28
29
3k
3d
Рис. 6: 19 - 31 октября 2011 г.: а) Групповая скорость распространения атмосфериков на
трассе Ловозеро-Баренцбург; б) волновой импеданс в обс. Ловозеро; в) поток протонов
(GOES-15); г) риометрическое поглощение (обс. Ивало).
это время наблюдалось небольшое повышение потока протонов, не превышающее значений, соответствующих первым двум рассмотренным случаям (см.
рис. 4 и 5). Однако, вместо ожидаемого понижения групповых скоростей во
время вспышки в данном случае было обнаружено их аномальное повышение. Этот факт не может быть объяснен в рамках гипотезы о слабом изменении шкалы высот профиля проводимости при переходе от невозмущенных
к возмущенным условиям [6], однако то, что значения скоростей во время
вспышки соответствуют средним значениям групповой скорости для ночи,
дает возможность предположить, что условия распространения в волноводе
Земля-ионосфера в данном случае и, соответственно, профиль проводимости
13
ионосферы, соответствовали ночным условиям. Аналогично предыдущим, в
данном случае спустя два дня после вспышки на Солнце регистрировалась
возмущенная геомагнитная обстановка, на которую отреагировало риометрическое поглощение и не отреагировал волновой импеданс. Таким образом,
исследование поведения волнового импеданса дает возможность диагностировать наличие неоднородностей проводимости ионосферы в окрестности станции, поскольку его значимые отклонения от средних значений свидетельствуют об отклонении от сферически–слоистой модели проводимости. Увеличение
же риометрического поглощения может свидетельствовать как о появлении
локальной неоднородности над риометром, так и о глобальном изменении
состояния нижней ионосферы.
В работе проведены оценки параметров ℎ1 и  профилей проводимости ионосферы по результатам измерений групповых скоростей на трассе Ловозеро-Баренцбург. Принимая профиль проводимости в виде  (ℎ) =
0  exp ((ℎ − ℎ1 ) /) и задавая  , получим связь между ℎ1 и измеренной скоростью  в виде
√
2ℎ1 ℎ1 ℎ2
(4)
2ℎ1 ℎ2 − (ℎ1 + ℎ2 )
2
ℎ2 = ℎ1 +  ln 2 2 ; (ℎ1 ) = 0 0 .
(5)
40 
Для определения ℎ1 уравнения (4) и (5) решались численно. Для этого были взяты измеренные значения групповых скоростей во время локального
полудня на середине трассы Ловозеро-Баренцбург (см. рис. 4, 5 и 6). Перебирая значения  и сравнивая полученные методом частичных отражений и
измеренные в ракетных экспериментах профили проводимости нижней ионосферы [1; 2; 4; 5; 8] с теми, что получаются при использовании выражений
(4) и (5), мы выбрали то значение  , при котором совпадение профилей было
наилучшим.
Из рис. 7 следует, что можно получить хорошее согласование между
экспериментальными и оцененными профилями проводимости для первых
двух случаев. Разделение профилей, соответствующих спокойным дням (расположены левее) и возмущенным (расположены правее), имеет место как в
измеренных профилях, так и в профилях, оцененных нами. Такое разделение объясняется уменьшением характерной высоты D-слоя ионосферы ℎ1 во
время возмущений — по нашим оценкам высота ℎ1 в среднем уменьшилась со
значения 47 км до значения 32 км, а параметр  практически не изменился.
Его среднее значение составило 4.4 км в спокойных условия и 4.7 км в возмущенных условиях. Этот факт согласуется с результатами работы [6], где
 =  ·
14
было показано, что во время гелиогеофизических возмущений наклон профиля проводимости сохраняется.
(6)
(5)
MarchO2012
90
NovemberO2011
90
(6)
(5)
(7)
(4)
(7)
(4)
(3)
(1)
80
70
(8)
(9)
(10)
(11)
(3)
(1)
60
60
(2)
Height,Okm
(9)
(10)
(11)
Height,Okm
(8)
70
70
60
(2)
50
10-8
10-7
10-6
10-5
-1
Conductivity,OOm m
10-4
-1
(8)
(9)
(10)
(11)
(3)
(1)
(2)
50
(6)
(5)
(7)
(4)
80
80
Height,Okm
OctoberO2011
90
50
10-8
10-7
10-6
10-5
-1
Conductivity,OOm m
10-4
-1
10-8
10-7
10-6
10-5
-1
Conductivity,OOm m
10-4
-1
1) типичный дневной профиль [2]; 2) типичный ночной профиль [2]; 3) спокойный дневной профиль [5]; 4) спокойный дневной профиль [1]; 5) спокойный дневной профиль, полученный методом частичных отражений в п. Туманный 25 сентября 1986 г. 14 ч. [8]; 6)
спокойный дневной профиль, полученный методом частичных отражений в п. Туманный
15 октября 1986 г. 13 ч. [8]; 7) спокойный дневной профиль, полученный методом частичных отражений в п. Туманный 15 октября 1986 г. 14 ч. [8]; 8) профиль во время PCA,
полученный методом частичных отражений [1]; 9) профиль во время сильной вспышки
[5]; 10) профиль во время PCA [5]; 11) профиль во время PCA, полученный в ракетном
эксперименте [4].
Рис. 7: Синим и красным цветом показаны оцененные профили в спокойных и
возмущенных условиях, соответственно; черным цветом - профили, полученные
экспериментально.
Для октября 2011 г. наилучшее согласование между профилями проводимости ионосферы было получено при средних значениях параметра
 = 5.1 км для спокойных условий и  = 2.5 км для возмущенных. В то
же время, значения параметра ℎ1 для спокойных и возмущенных условий
оказались практически одинаковыми, 46 км и 49 км, соответственно. Таким
образом, наблюдаемое в данном случае аномальное повышение скоростей во
время гелиогеофизического возмущения, по-видимому, сопровождалось изменением наклона профиля проводимости. Поскольку значения групповой
скорости, наблюдаемые 22-24 октября 2011 г., характерны для ночной ионосферы, можно предположить, что в данном случае протонное событие вызвало такие изменения профиля проводимости, которые сделали его похожим на
ночной профиль.
15
Полученные методом частичных отражений и измеренные в ракетных
экспериментах профили проводимости хорошо согласуются с нашими результатами. Можно утверждать, что предложенный нами подход к выявлению
изменений профиля проводимости нижней ионосферы и оценке ее дневного
профиля может использоваться для мониторинга изменений состояния нижней ионосферы.
приведены основные результаты работы:
1. Рассмотрены имеющиеся технические решения, методы и алгоритмы обработки данных и модели распространения ЭМ возмущений СНЧ диапазона
в волноводе Земля-ионосфера, связывающие профиль проводимости ионосферы с фазовой скоростью распространения и волновым импедансом.
В заключении
2. Предложена схема организации эксперимента и сформулированы требования к параметрам аппаратуры для регистрации трех компонент ЭМ поля.
Разработаны методы измерения ФЧХ и расчета АЧХ регистратора вертикальной электрической компоненты.
3. Разработан и реализован метод приведения отсчетов сигналов компонент
поля к одинаковой частоте дискретизации с сохранением их точной синхронизации с мировым временем и способ удаления помех от линий электропередач. Разработан программный инверсный фильтр для расчета напряженности поля из цифровых отсчетов АЦП, который применим для
измерительных систем, передаточные функции которых являются дробнорациональными функциями.
4. Впервые произведены непрерывные измерения групповой скорости распространения и волнового импеданса ЭМ возмущений в авроральной области и исследованы особенности их изменений в спокойных и возмущенных
гелиогеофизических условиях. Показано, что изменения характера зависимости групповой скорости и волнового импеданса от времени являются
индикаторами возмущенности нижней ионосферы и могут быть использованы для мониторинга ее состояния в окрестности трассы.
ˆ Впервые экспериментально найдено, что в спокойное время фазовая
скорость распространения ЭМ возмущений, расчитанная из измеренной
групповой скорости согласуется с фазовой скоростью, оцененной через
измеренное отношение  / . Этот факт является обоснованием применения сферически-слоистой модели ионосферы.
ˆ Выявлено, что в возмущенных гелиогеофизических условиях среднесуточная скорость распространения ЭМ возмущений на авроральной трассе, как правило, снижается относительно невозмущенных условий, что
может быть вызвано уменьшением действующей высоты волновода ℎ1
16
вследствие изменения профиля проводимости ионосферы во время возмущений.
ˆ Найдено, что во время некоторых гелиогеофизических возмущений наблюдаются выраженные всплески волнового импеданса, максимумы которых превышают его среднее значение более чем в 2 раза. Этот факт
не следует из сферически-слоистой модели нижней ионосферы. Разумно
предположить, что такие отклонения являются индикатором возникновения неоднородностей проводимости D-слоя.
ˆ Продемонстрирована возможность оценки параметров дневных профилей проводимости нижней ионосферы в окрестности трассы ЛовозероБаренцбург по результатам измерений групповых скоростей распространения ЭМ возмущений. Показано, что полученные профили проводимости согласуются с данными, полученными в ходе ракетных экспериментов и методом частичных отражений.
Публикации автора по теме диссертации в журналах,
рекомендованных ВАК.
A1.
Шкарбалюк М.Е., Пильгаев С.В., Ларченко А.В., Лебедь О.М., Филатов М.В., Фе-
Эмулятор GPS-приемника как источник точного времени // Приборы
и техника эксперимента. — 2011. — № 2. — С. 110—115.
доренко Ю.В.
A2.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
Программно- аппаратный комплекс
для фазовых измерений в крайне низких- сверхнизких диапазонах частот // Приборы и техника эксперимента. — 2012. — № 3. — С. 56—62.
A3.
Лебедь О.М., Кузнецова M.В., Федоренко Ю.В., Ларченко А.В.
A4.
Ларченко
A5.
Лебедь О.М., Федоренко Ю.В., Ларченко А.В., Пильгаев С.В.
Вариации скорости распространения импульсных электромагнитных сигналов на трассе ЛовозероБаренцбург в СНЧ диапазоне // Вестник МГТУ. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 204—212.
А.В., Лебедь О.М., Федоренко Ю.В. Трехкомпонентные измерения
структуры электромагнитного поля в диапазоне крайне низких и сверхнизких частот // Радиотехника и электроника. — 2015. — Т. 60, № 8. — С. 793—801.
Реакция авроральной нижней ионосферы на солнечные вспышки в марте 2012 г. по данным наблюдений в СНЧ диапазоне // Геомагнетизм и аэрономия. — 2015. — Т. 55, № 6. — С.
797–807.
Другие публикации.
A6.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
Методика измерений фаз гармонических сигналов на сети геофизических станций. // Вестник КНЦ РАН. — 2010. —
№ 2. — С. 72—75.
A7.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
A8.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
A9.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
Аппаратура и методика измерений
фаз гармонических сигналов на сети геофизических станций // Материалы конференции "Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких
широтах". — 2010. — С. 91—93.
Аппаратура и методика измерения фазы гармонического сигнала в КНЧ-СНЧ диапазонах // "Physics of Auroral
Phenomena": Proceedings of the 34th Annual Seminar, Apatity. — С. 166—169.
Метод подавления импульсных помех при измерениях гармонических полей СНЧ диапазона // Материалы междунар.
науч.-техн. конф. "Наука и образование - 2011". — МГТУ, 2011. — С. 225—232.
17
A10.
Лебедь О.М., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.
A11.
Ларченко А.В., Лебедь О.М., Федоренко Ю.В.
A12.
Лебедь
A13.
Лебедь О.М., Федоренко Ю.В.
A14.
Лебедь О.М.
A15.
Ларченко А.В., Лебедь О.М., Филатов М.В. Комплексное измерение вертикальной компоненты электрического поля и горизонтальных компонент магнитного поля
в КНЧ-СНЧ диапазоне // Труды конференции "Высокоширотные геофизические
исследования". — Мурманск. 2013. — С. 95—98.
A16.
Суточные вариации отношения E/H,
наблюдаемые в Ловозеро в диапазоне частот 150-200 Гц // Материалы междунар.
науч.-техн. конф. "Наука и образование - 2011". — МГТУ, 2011. — С. 232—239.
Методика измерения характеристик
магнитных индукционных датчиков // Труды конференции "Высокоширотные геофизические исследования". — Мурманск. 2012. — С. 64—70.
О.М. Скорость распространения атмосфериков на трассе ЛовозероБаренцбург // Труды конференции "Высокоширотные геофизические исследования". — Мурманск. 2012. — С. 50—57.
О методе определения скорости распространения
атмосфериков на сравнительно короткой высокоширотной трассе // Труды конференции "Высокоширотные геофизические исследования". — Мурманск. 2012. — С.
45—50.
Солнечная вспышка 7 марта 2012 г. и структура поля естественных
электромагнитных сигналов СНЧ диапазона // Труды научной конференции "Высокоширотные геофизические исследования". — Мурманск. 2013. — С. 55—60.
Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Федоренко Ю.В., Мингалев В.С.,
О.М. Модель распространения низкочастотных сигналов в волноводе
Земля-ионосфера // Сборник трудов Региональной XIX конференции по распространению радиоволн. — Санкт-Петербург, 2013.
Лебедь
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Propagation of radio waves at frequences below 300 kc/s // / под ред. W. T.
Blackband. — Pergamon Press, Oxford, 1964. — С. 3—24.
Cummer S. A. Modeling electromagnetic propagation in the earth-Ionosphere waveguide //
IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2000. — Vol. 48, no. 9. — Pp. 1420–
1429.
Greifinger C., Greifinger P. On the ionospheric parameters which govern high-latitude ELF
propagation in the Earth-ionosphere waveguide // Radio Science. — 1979. — Vol. 14. —
Pp. 889–895.
Kane J. A. Re-evaluation of ionospheric electron densities and collision frequencies derived from rocket measurements of refractive index and attenuation // J. Atmos. Terrest.
Phys. — 1961. — Vol. 23. — Pp. 338–347.
Ulwick J. C. Solar Particle Event of November 1969 // Proc. COSPAR Symp. — Air Force
Cambridge Research Laboratories, U. S. Air Force, 1972. — P. 395. — (AFCRL-72-0474).
Wait J. R., Spies K. P. Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio
waves. — Tech. Note 300, Natl. Bur. of Stand., Boulder, Colo., 1964.
Йоссель Ю. Я., Кочанов Э. С., Струнский М. Г. Расчет электрической емкости. —
Ленинград, Энергоиздат, 1981.
Смирнова Н. В., Сагидуллин Ф. С., Мизун Ю. Г., Васильев Е. Б., Прохоров В. И.,
Каташов Н. А., Ярутов В. В. Каталог профилей электронной концентрации в высокоширотной ионосфере, полученных меметод частичных отражений, сравнение с
результатами теоретической модели Д-области ионосферы. — 1988. — 30 с. Препринт
ПГИ-88-02-62, Апатиты, изд. КФ АН СССР.
Харгривс Д. К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. Введение в физику околоземной космической среды. — Перевод на русский язык. Гидрометеоиздат. Ленинград, 1982.
Belrose J. S.
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа