НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ім. О.Я. Усикова

Залізовський Андрій Владиславович

УДК: .876.23; .388

РАДІОДІАГНОСТИКА МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНИХ ХВИЛЬ

І НАВКОЛОЗЕМНОЇ ПЛАЗМИ

01.04.03 – радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Радіоастрономічному інституті Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник роботи: доктор фізико-математичних наук, професор Ямпольський Юрій Моїсійович,

Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), зав. відділу іоносферного поширення радіохвиль.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Таран Віталій Іванович,

Інститут іоносфери Міносвіти і НАН України (м. Харків), директор.

кандидат фізико-математичних наук, доцент Розуменко Віктор Тимофійович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міносвіти і науки України, доцент кафедри космічної радіофізики.

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра астрономії і фізики космосу.

Захист відбудеться 26.06.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м.Харків, вул. Ак. Проскури , у залі засідань)

Автореферат розісланий “...24...” травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Я. Кириченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Однією з найбільш важливих задач радіофізики є дистанційне зондування навколоземного космічного простору. В цей час у космосі функціонує велика кількість супутникових систем, за допомогою яких здійснюються кореспонденція між віддаленими пунктами, навігація, спостереження за погодою. Зв'язок із космічними об'єктами й керування ними із Землі відбувається в реальних умовах іоносфери й магнітосфери. При проектуванні та виготовленні коштовних супутникових систем набуває першорядного значення врахування особливостей процесів, які протікають у цьому середовищі. Саме тому зростає важливість досліджень космічного простору, а також особливостей іоносферного та магнітосферного поширення радіохвиль. Згадані вище причини дали поштовх до виділення в радіофізиці напрямку, що займається вивченням і прогнозуванням космічної погоди.

Діагностика іоносфери в основному ведеться активними радарними методами. До них відносяться методи вертикального зондування іоносфери, некогерентного розсіювання, резонансного розсіювання на іоносферних неоднорідностях, частотно-кутового зондування. Окрім цього, для одержання інформації про навколоземну плазму використовуються також менш поширені методи, в яких застосовуються сигнали не спеціального типу, якими пронизаний навколоземний простір. Наприклад, тільки в короткохвильовому діапазоні постійно працюють близько 6000 широкомовних радіостанцій, які забезпечують передачу інформації практично по всій поверхні Землі. Використання їхніх сигналів раніше дозволило розробити ряд методик зондування іоносфери на однострибкових радіотрасах середньої довжини на частотах як нижче й вище максимальних частот, що застосовуються, так і поблизу них. У порівнянні з активними, ці методи, мають деякі незаперечні переваги, завдяки, по-перше, екологічній чистоті, оскільки додатково не “засмічують” ефір, і, по-друге, дешевині, тому що не вимагають виготовлення коштовних спеціальних передавальних пристроїв і антенних систем. Відомі також методики дистанційного зондування навколоземної плазми за допомогою сигналів природного походження, зокрема, випромінювання звичайних і надпотужних грозових розрядів, космічних радіоджерел, вістлерів, тощо.

У дисертаційній роботі розвинуто методи моніторингу іоносфери й магнітосфери Землі, які базуються на вимірюванні параметрів ультранизькочастотних електромагнітних коливань геомагнітних пульсацій.

Геомагнітними пульсаціями (або мікропульсаціями) називають квазіперіодичні коливання геомагнітного поля з частотами від тисячних часток до одиниць герц. Як об'єкт наукового дослідження, вони з'явилися із надр класичного геомагнетизму у другій половині дев'ятнадцятого сторіччя. У 1942 році Альфвен створив магнітну гідродинаміку, яка стала основою інтерпретації пульсацій.

У магнітосфері і верхній іоносфері пульсації геомагнітного поля поширюються у вигляді магнітогідродинамічних (МГД) хвиль, частоти яких задовольняють умові ( гірочастота іонів). Біля нижнього крила діапазону пульсації межують з “класичними” геомагнітними варіаціями (бурями, бухтами). Нижньою межею частот пульсацій є мінімальна частота власних гідромагнітних коливань магнітосфери, а найбільшій частоті пульсацій відповідає гірочастота протонів у віддалених областях магнітосфери. В цілому магнітосферу можна розглядати як складну систему хвилеводів і резонаторів для МГД хвиль. Резонатори формують параметри пульсацій, перетворюючи стохастичні коливання магнітного поля у квазіперіодичні.

Відома велика кількість робіт, присвячених вирішенню прямих задач поширення пульсацій в магнітосфері. Їх результатами є модельні та експериментальні оцінки полів різних типів МГД збурень. На відмінну від них, у дисертації регулярні хвилеві МГД процеси використовуються для створення нових методів дистанційного зондування параметрів іоносфери і магнітосфери. Розглядаються довгоперіодні пульсації класів Рс3 і Рс4 із періодами 10...45 і 45…150 с відповідно.

Для вимірювання параметрів геомагнітних пульсацій застосовано як класичний магнітометричний метод, так і запропонований у дисертації метод радарної магнітометрії. Суть останнього полягає у вимірюванні доплерівського зсуву частоти сигналів короткохвильового і ультракороткохвильового діапазонів, розсіяних на штучному об'єкті, що рухається разом із плазмою, у верхній іоносфері, де варіації швидкості дрейфу плазми пропорційні компонентам електричного й магнітного полів МГД хвиль. Пропорційність виникає через “замагніченість” плазми на висотах  області, внаслідок чого її рухи повторюють коливання силових ліній магнітного поля. У якості видимого для радара об'єкту використовується область штучної іоносферної турбулентності, що збуджуються потужним випромінюванням нагрівного стенду.

Протягом останніх десятиліть експериментам з керованого впливу на навколоземну плазму потужною електромагнітною хвилею належить помітне місце в іоносферних дослідженнях. Таке “нагрівання” дає можливість використовувати іоносферу як величезну природну плазмову лабораторію. Але в рамках дисертаційної роботи область штучної іоносферної турбулентності в основному використовується лише як “поплавець”, що повторює рухи навколишньої іоносферної плазми в полі МГД хвилі.

Можливість радарних вимірювань магнітних і електричних полів МГД хвиль на іоносферних висотах унікальна тому, що їх вимірювати іншими способами практично неможливо. Дійсно, для проведення прямих супутникових спостережень необхідно, щоб супутник знаходився в межах масштабу просторової кореляції МГД хвилі протягом хоча б одного періоду коливань. Оскільки періоди пульсацій класів Рс3, Рс4, це десятки і сотні секунд, а масштаб поперечної просторової кореляції, що відповідає резонансу силових ліній, має порядок тисяч кілометрів, за один період коливань супутник перетне істотну частину радіуса просторової кореляції МГД хвилі і його рух спотворить результати вимірювань.

В експериментах по розсіюванню коротких хвиль на області штучної іоносферної турбулентності для прийому діагностичних сигналів використовувались гостроспрямована багатопроменева антена найбільшого у світі радіотелескопа декаметрового діапазону УТР-2 і когерентний приймально-оброблюючий комплекс. Це дало змогу одночасно у декількох точках верхньої іоносфери спостерігати МГД хвилі та робити оцінки швидкості їх поширення. Завдяки цьому у верхній іоносфері було виявлено уповільнення МГД хвиль у порівнянні з альфвенівською швидкістю. В дисертації цей факт інтерпретовано у припущенні про інтерференцію двох МГД хвиль: падаючої з магнітосфери і відбитої від нижньої іоносфери. На основі виявленого ефекту в рамках простої двохвильової моделі розроблено нову методику оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від іоносфери. Зроблені оцінки коефіцієнтів відбиття альфвенівської хвилі для денних годин поблизу рівнодення склали близько 0,9 для модулів, і близько для фаз, що співпадає з модельними розрахунками інших авторів.

Як відбиття МГД хвиль, так і їхнє перетворення в електромагнітні хвилі, що поширюються в неіонізованому прошарку між іоносферою й Землею, пов'язано з поперечними до геомагнітного поля плазмовими провідностями Педерсена й Холла. У їхніх висотних профілях є яскраво виражені максимуми на висотах від 100 до 150 кілометрів. У цьому шарі стимульовані МГД хвилями струми, що течуть у магнітосфері уздовж силових ліній геомагнітного поля, замикаються на високі поперечні провідності і розтікаються в горизонтальному напрямку. Застосовуючи радіотехнічну аналогію, можна сказати, що провідності Педерсена й Холла області іоносфери відіграють роль “навантаження” для магнітосферного каналу поширення МГД хвиль. Саме характеристики “навантаження”, і, зокрема, відношення поперечних інтегральних провідностей до хвильової провідності каналу, визначають режим поширення МГД хвиль у магнітосфері. У дисертації розроблено методику оцінки інтегральних значень поперечних до геомагнітного поля холлівської й педерсенівської провідностей іоносферної плазми. Радарний експеримент дозволив оцінити структуру інтерференційної картини МГД хвиль вище шару, що відбиває, та коефіцієнти відбиття МГД хвиль від іоносфери. Це дало можливість розрахувати відношення провідностей іоносфери до хвильової провідності магнітосфери для МГД хвиль. Той факт, що хвильова провідність магнітосфери є стабільною й відомою величиною, дозволив за результатами вимірювання коефіцієнтів відбиття досить точно оцінювати інтегральні значення холлівської й педерсенівської провідностей нижньої іоносфери. Слід зазначити, що інтегральні іоносферні провідності практично неможливо вимірювати іншими способами. Тому розроблені в дисертації методи діагностики поперечних іоносферних провідностей є досить актуальними.

Окрім радарних методів, у дисертаційній роботі розвиваються методи діагностики навколоземної плазми, що базуються на класичній наземній магнітометрії. Вперше були проведені вимірювання поляризаційної структури геомагнітних пульсацій на Українській антарктичній станції “Академік Вернадський” та на обсерваторії поблизу Харкова. Було виявлено два різних типи денних варіацій параметрів поляризації пульсацій класів Рс3 і Рс4. Показано, що поляризацію пульсацій на поверхні Землі можна використовувати для відновлення структури МГД хвиль у верхній іоносфері й магнітосфері. У порівнянні з прямими іоносферними вимірюваннями, методи, що ґрунтуються на наземній магнітометрії, реалізувати значно простіше й дешевше. Однак, на поверхні Землі реєструються напруженості полів не самої МГД хвилі, а електромагнітної, у яку перетворюється МГД хвиля в нижній іоносфері. Це приводить до збільшення числа вільних параметрів задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження, що складають зміст даної дисертації, були здійснені в рамках наступних наукових програм і науково-дослідних робіт:

Теми, що виконувалися за розпорядженням Президії Національної академії наук України – «Хвиля» (0197U019102), «Поле» (0198U003855), «Ямб» (0100U006426).

Роботи, що проводилися за тематикою Міністерства освіти та науки України – НДР «Магнітосфера» і «Антарктида» (0101U000643).

Міжнародні проекти: ISF гранти U36000 і U36200, проект № Науково-технологічного центру України.

Мета й задачі дослідження.

Параметри навколоземного космічного простору складають об'єкт досліджень дисертаційної роботи. Предмет досліджень – МГД хвилі в магнітосфері й іоносфері Землі та їхній зв'язок із параметрами навколоземної плазми. Метод досліджень – МГД діагностика параметрів ближнього космосу, що базується на класичних і радарних методах виміру параметрів МГД хвиль. Метою роботи є:

· Розробка й апробація нових методик діагностики великомасштабних хвильових процесів, пов'язаних із поширенням МГД хвиль у навколоземній плазмі на основі:

- радіозондування області штучної іоносферної турбулентності вже існуючими в природі сигналами не спеціального типу;

- поляризаційних вимірювань геомагнітних пульсацій на поверхні Землі.

· Відновлення просторового спектру МГД хвиль, що поширюються з магнітосфери.

· Оцінка іоносферних провідностей за даними вимірювань параметрів МГД хвиль в іоносфері і оцінка ступеня впливу провідностей іоносфери на поляризацію геомагнітних пульсацій на поверхні Землі.

Наукова новизна отриманих результатів.

· Запропоновано метод радарної магнітометрії іоносфери.

· Уперше проведено радарні вимірювання амплітуд і різниці фаз МГД хвиль у просторово рознесених точках  області іоносфери. Виявлено уповільнення МГД хвиль у верхній іоносфері до швидкостей, значно менших за альфвенівську.

· Розроблено методики оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від іоносфери та провідностей нижньої іоносфери за результатами вимірювань параметрів МГД хвиль в просторово рознесених точках  області іоносфери.

· Виявлено нелінійну взаємодію між МГД хвилями і штучними дрібномасштабними неоднорідностями іоносферної плазми.

· Уперше проведено вимірювання поляризаційних характеристик геомагнітних пульсацій в Антарктиці на станції «Академік Вернадський» і виявлено два різних типи денних варіацій позиційного кута еліпса поляризації пульсацій класу Рс4.

· Розроблено методику оцінки просторової структури падаючих на іоносферу МГД хвиль за результатами вимірювання добового ходу параметрів поляризації геомагнітних пульсацій.

Практичне значення отриманих результатів.

· Метод радарної магнітометрії може використовуватися для оцінки варіацій магнітного поля у верхній іоносфері за даними про доплерівський зсув частоти короткохвильових сигналів, відбитих чи розсіяних іоносферою.

· Методики оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від іоносфери і провідностей іоносферної плазми, тобто параметрів, що визначають стан навколоземного космічного простору, можуть бути застосовані на радарах резонансного розсіювання на полярних арках (SuperDARN), радарах некогерентного розсіювання, доплерівських іонозондах.

· Розроблена методика вимірювання поляризаційних характеристик пульсацій може бути застосована для даних будь-якої дво- чи трикомпонентної магнітоваріаційної станції, що має чутливість не гірше 0,1 нТ і частоту дискретизації даних не нижче 0,2 Гц.

· До практично корисних результатів роботи треба віднести методику діагностики параметрів МГД хвиль у магнітосфері за наземними магнітометричними даними.

Особистий внесок здобувача.

У роботах, 6]: обробка експериментальних даних, виявлення ефекту несинфазності варіацій доплерівського зсуву частоти сигналів, розсіяних просторово рознесеними об'ємами області штучної іоносферної турбулентності при поширенні МГД хвилі, обґрунтування можливості на основі виявленого ефекту проводити вимірювання коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від іоносфери, розробка методики їх оцінки.

У роботах, 7]: участь у вирішенні зворотної задачі поширення МГД хвиль через іоносферу й розробці алгоритму оцінки іоносферних провідностей за даними радіозондування області штучної іоносферної турбулентності у рамках запропонованої математичної моделі, чисельне моделювання.

У роботах [3, 4, 8, 9]: обробка даних, участь в інтерпретації амплітудної модуляції пробних короткохвильових сигналів із частотою МГД хвиль.

У роботі [5]: проведення магнітометричних вимірювань на Українській антарктичній станції “Академік Вернадський”, розробка методики поляризаційної обробки геомагнітних пульсацій, виявлення “ефекту соняшника” у добовому ході параметрів поляризації пульсацій.

У роботі [10]: селекція двох типів особливостей денної поведінки позиційного кута еліпса поляризації геомагнітних пульсацій, чисельне моделювання добового ходу параметрів поляризації, ускладнення плоско-шаруватої моделі поширення МГД хвиль у магнітосфері, участь в інтерпретації обох типів добового ходу параметрів поляризації.

Апробація результатів дисертації.

Отримані в дисертації результати було представлено і повідомлено на наступних конференціях і симпозіумах:

· XXVGeneral Assembly of the International Union of Radio Science (Lille, France, 1996).

· Third Volga International Summer School on Space Plasma Physics (ISS97), NIRFI (Nizhny Novgorod, Russia) and IRFU (Uppsala, Sweden), 1997.

· 8th Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia, 1997 (Uppsala, Sweden, 1997).

· VInternational Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere (Suzdal, Russia, 1998).

· VIII Ukrainian Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Crimea, 2000).

Публікації:

За матеріалами, що ввійшли до дисертації, у співавторстві опубліковано 10 робіт (серед них: статей  у наукових журналах – 5 , тез конференцій – 5).

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох тематичних розділів, 6 таблиць і 38 рисунків (на 15 стор.), висновків, списку використаних джерел із 74 найменувань на 9 сторінках. Обсяг “основного” тексту складає 113 стор., повний обсяг дисертації складає 140 стор. Дисертацію написано російською мовою.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми, сформульовано об'єкт, предмет та метод досліджень, обґрунтовано актуальність вибраної теми та її наукову новизну, показано значущість проведених досліджень, сформульовано основні результати роботи, коротко викладено зміст дисертації.

Перший розділ присвячено огляду літератури за темою дисертації та дослідженню динаміки штучної дрібномасштабної іоносферної турбулентності в полі МГД хвилі. Вступ до розділу містить огляд літератури до всієї дисертації. Тут же викладено раніше встановлені зв'язки між параметрами сигналів, розсіяних штучною іоносферною турбулентністю, і параметрами середовища їх поширення. У підрозділі .1. наведено схему і докладно описано експерименти з радарного дослідження МГД хвиль в іоносфері за допомогою області штучної іоносферної турбулентності. Підрозділ .2. присвячено спостереженням пульсацій у варіаціях доплерівського зсуву частоти короткохвильових сигналів, що розсіяні штучними іоносферними неоднорідностями або “дзеркально” відбиті від іоносфери. Викладено методику вимірювань параметрів сигналів, зроблено оцінки точності вимірів частотних і фазових параметрів розсіяних сигналів, приведено результати одно- і багатопроменевих експериментів з зондування збуреної області. Також наведено результати вимірювань пульсацій класу Рс3 у варіаціях допплерівського зсуву частоти сигналів, дзеркально відбитих від іоносфери поблизу екватора. У цьому підрозділі описано виявлений ефект уповільнення (до 50 км/с і менше) швидкості МГД хвиль у верхній іоносфері, який проявляється в істотній несинфазності варіацій швидкості дрейфу плазми у близько розташованих точках верхньої іоносфери. Показано, що ефект не міг би спостерігатися при поширенні однієї МГД хвилі з альфвенівською швидкістю, яка у верхній іоносфері дорівнює 300...600 км/с. Підрозділ .3. присвячений розгляду нелінійної взаємодії МГД хвиль із штучними дрібномасштабними іоносферними неоднорідностями. В експериментальних даних нелінійна взаємодія проявляється у вигляді модуляції інтенсивності пробних короткохвильових сигналів із частотою МГД хвиль. Виявлений ефект є експериментальним доказом енергообміну між магнітосферою й іоносферою за допомогою МГД хвиль. Він також показує, що МГД хвилі, які поширюються в магнітосфері й іоносфері Землі, можуть істотно впливати на параметри каналів поширення коротких та ультракоротких хвиль завдяки модуляції інтенсивності іоносферних і магнітосферних неоднорідностей.

У другому розділі дисертації розвинуто метод радарної магнітометрії іоносфери. Його принцип базується на когерентних вимірюваннях ефектів розсіяння короткохвильових сигналів на іоносферній плазмі, що дозволяє відновити швидкості дрейфу іоносферних неоднорідностей, та в лінійному наближенні магнітної гідродинаміки зв'язати їх із полями МГД хвиль. У підрозділі .1. описано методику відновлення структури магнітного та електричного полів МГД хвиль за варіаціями доплерівського зсуву частоти сигналів, що розсіяні областю штучної іоносферної турбулентності. У підрозділах .2. і 2.3. метод радарної магнітометрії застосовано для вивчення особливостей поширення МГД хвиль у верхній іоносфері, відбиття МГД хвиль від нижньої іоносфери і оцінок поперечних іоносферних провідностей. У підрозділі .2. в рамках одномірної двохвильової моделі показано, що уповільнення МГД хвиль у верхній іоносфері відбувається через присутність стоячої компоненти МГД хвилі, яка формується завдяки інтерференції МГД хвиль: падаючої з магнітосфери і відбитої нижньою іоносферою. Виміри амплітуд і фаз полів МГД хвиль у просторово рознесених точках верхньої іоносфери використано для розробки методики оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від іоносфери. У підрозділі .3. описано й використано для оцінок коефіцієнтів відбиття і інтегральних провідностей Педерсена та Холла нижньої іоносфери більш складну теоретичну модель, у якій враховано довільний нахил магнітного поля, довільну орієнтацію хвильових векторів МГД хвиль і кінцеву провідність Землі. У підрозділі .4. для розрахунків іоносферних провідностей застосовано методику, у якій використовуються результати вимірювань профілю електронної концентрації, а також довідкові дані щодо профілів частот зіткнень електронів та іонів і хімічного складу іоносферної плазми. Результати модельних розрахунків іоносферних провідностей досить добре співпадають з оцінками, отриманими за допомогою розроблених в дисертації методик, і становлять близько 10 Сіменс на середніх широтах у денні години поблизу рівнодення.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено дослідженням процесів у навколоземній плазмі за допомогою поляризаційних особливостей геомагнітних пульсацій, що вимірюються на поверхні Землі класичним магнітометричним методом. У підрозділі .1. наведено результати вимірювань мікропульсацій геомагнітного поля, які було проведено на Українській антарктичній станції “Академік Вернадський” у березні 1998 року, а саме статистичні розподіли пульсацій по частотах (максимум припадає на 15 мГц) і оцінки ймовірності появи пульсацій протягом доби (Рс3 найбільш ймовірні в ранкові години, Рс4 – в денні). В підрозділі .2. розглянуто поляризаційну структуру геомагнітних пульсацій класів Рс3 і Рс4, вимірювання якої було проведено в Антарктиці та на обсерваторії поблизу Харкова. У підрозділі викладено методику поляризаційної обробки геопульсацій та наведено добові варіації поляризаційних параметрів. В експериментальних даних уперше виявлено два різних типи денних варіацій позиційного кута еліпса поляризації пульсацій класу Рс4. Перший тип названо ефектом “соняшника”, тому що еліпс поляризації протягом дня обертався слідом за рухом Сонця по небесній сфері. Інший названо “аркою”, завдяки характерній арці в післяполуденні години на площині “позиційний кут час”. Підрозділ .3. присвячено чисельному моделюванню денного ходу параметрів поляризації пульсацій. Розрахунок проведено у рамках тієї ж теоретичної моделі, що було використано у підрозділі .3. Розв'язано пряму задачу поширення ультранизькочастотних хвиль через іоносферу. “Арку” інтерпретовано у припущенні про постійний (протягом дня) просторовий спектр МГД хвиль, що поширюються з магнітосфери. Таке припущення відповідає ситуації, яка може виникнути при високій добротності магнітосферних резонаторів, що стабілізують просторовий спектр МГД хвиль. В цьому випадку варіації поляризації пульсацій відбуваються завдяки лише добовим змінам інтегральних іоносферних провідностей. Для інтерпретації ефекту “соняшника” зроблено припущення про те, що напрямок приходу магнітозвукової моди з магнітосфери змінюється слідом за рухом Сонця по небесній сфері. Така ситуація може реалізуватись при досить низькій добротності магнітосферних резонаторів. Добові варіації параметрів поляризації пульсацій в цьому разі пов'язані як із денною варіацією іоносферних провідностей, так і зі зміною кутового спектра МГД хвиль протягом дня. Таким чином, у результаті моделювання пояснено обидва типи особливостей добових варіацій параметрів поляризації геомагнітних пульсацій і розроблено методику оцінки просторового спектра МГД хвиль у магнітосфері за наземними вимірами поляризації пульсацій. Показано, що і традиційні наземні магнітометричні вимірювання можна використовувати для діагностики структури ефективних магнітосферних джерел МГД хвиль та інтегральних характеристик іоносфери.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи і визначено можливі напрямки продовження досліджень. Основні результати полягають в наступному.

1) Запропоновано метод радарної іоносферної магнітометрії, який базується на вимірюванні доплерівського зсуву частоти сигналів, відбитих або розсіяних іоносферною плазмою. Метод використано для оцінки варіацій компонент магнітного й електричного полів МГД хвиль.

2) Розроблено методику оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль та поперечних провідностей нижньої іоносфери за даними радарного доплерівського зондування області штучної іоносферної турбулентності.

3) Виявлено ефект нелінійної взаємодії МГД хвиль з орієнтованими уздовж магнітного поля штучними дрібномасштабними неоднорідностями іоносферної плазми.

4) Вперше на Українській антарктичній станції “Академік Вернадський” проведено поляризаційні вимірювання геомагнітних пульсацій. Виявлено та інтерпретовано два типи особливостей денної поведінки позиційного кута еліпса поляризації мікропульсацій класу Рс4: ефекти “соняшника” та “арки”.

Продовження досліджень може розвиватися в таких напрямках.

1) Розширення методу радарної магнітометрії на системи, що використовують “дзеркально” відбиті від іоносфери короткохвильові сигнали і не потребують великих приймальних антенних систем.

2) Ускладнення моделі поширення МГД хвиль через іоносферу шляхом включення до неї другої відбиваючої границі, що описує властивості іоносфери в магнітоспряженій зі спостерігачем точці.

3) Розробка методу відновлення іоносферних провідностей за наземними вимірюваннями поляризаційних параметрів мікропульсацій геомагнітного поля в рамках наведеної в дисертації теоретичної моделі. Для експериментальної реалізації цього методу необхідно проводити синхронні вимірювання декількома рознесеними в просторі магнітометрами, що дозволить вимірювати горизонтальні проекції хвильових векторів МГД хвиль, що поширюються з магнітосфери.

4) Перспективним є спільне використання методів радарної і наземної магнітометрії, а також наземних вимірювань метеорологічних параметрів для з'ясування природи великомасштабних хвильових процесів (атмосферні гравітаційні хвилі, довгоперіодні пульсації, магнітні бурі), що спостерігаються на іоносферних висотах. Цю технологію передбачається застосувати на антарктичній станції “Академік Вернадський”.

Основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Белей В.С., Галушко В.Г., Зализовский А.В., Пономаренко П.В., Ямпольский Ю.М. Коэффициент отражения МГД волн от ионосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. - 1997. Том 37, №6. – C. 91-98.

2. Sinitsin.G., Kelley.C., Yampolski.M., Hysell.L., Zalizovski.V., and Ponomarenko.V. Ionospheric conductivities according to Doppler radar observations of stimulated turbulence. // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. – 1999. - Vol. 61. - P. 903-912.

3. Зализовский А.В., Пономаренко П.В., Ямпольский Ю.М. Взаимодей-ствие искусственных ионосферных неоднородностей с МГД волнами. // Радиофизика и радиоастрономия. – 1997. - Том. 2, №4. – C. 457-462.

4. Ponomarenko P.V., Yampolski.M., Zalizovsky.V., Hysell.L., and Tyrnov.F. Interaction between artificial ionospheric irregularities and natural MHD waves.Journal of Geophysical Research. – 2000. Vol.105, A1. P. .

5. Зализовский А.В., Ямпольский Ю.М., Корепанов В.Е., Доценко И.Ф. Поляризационные исследования пульсаций Рс3, Рс4 на антарктической станции «Академик Вернадский» («эффект подсолнуха»). // Радиофизика и радиоастрономия. -2000. - Том. 5, №2. – C. 118-124.

6. Beley.S., Galushko.G., Ponomarenko.V., Yampolski.M., and Zalizovski.V. Artificial ionospheric turbulence and estimates of the reflection coefficient for geomagnetic pulsations.Abstracts of XXVGeneral Assembly, International Union of Radio Science. Lille (France). – 1996. P. .

7. Zalizovski.V., Ponomarenko.V., Sinitsin.G., and Yampolski.M. Geomagnetic pulsation-induced modulation of HF diagnostic radar echoes.Third Volga International Summer School on Space Plasma Physics (ISS97). Abstracts. – 1997. P. .

8. PonomarenkoSinitsinYampolskiand ZalizovskiNonlinear interaction between small scale field aligned inhomogeneities and geomagnetic pulsations.Abstracts for 8th Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia. – 1997. P. .

9. SinitsinYampolskiPonomarenkoand ZalizovskiAmplitude modulated radar backskatter from stimulated ionospheric turbulence in the presence of hydromagnetic waves.VInternational Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere. Book of Abstracts. – 1998. P. .

10. ZalizovskiSinitsinand SinitsinIonospheric plasma conductivities and polarization structure of geomagnetic pulsations (measured data and model results). - VIII Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of Abstracts. 2000. P.69.

АНОТАЦІЇ

Залізовський А.В. Радіодіагностика магнітогідродинамічних хвиль і навколоземної плазми. – рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01.04.03 – радіофізика. – Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Усикова Національної академії наук України, Харків, 2001.

У дисертації проведено дослідження навколоземної плазми радіофізичними методами, в яких у якості зондувальних сигналів використовуються геомагнітні пульсації класів Рс3 і Рс4. Розвинуто метод радарної магнітометрії іоносфери, який полягає у вимірюванні компонент дрейфової швидкості іоносферної плазми в полі МГД хвиль. Розроблено методики оцінки коефіцієнтів відбиття МГД хвиль від нижньої іоносфери та інтегральних провідностей нижньої іоносфери в рамках сучасних теоретичних уявлень. Представлено результати вимірювання параметрів поляризації мікропульсацій класів Рс3 і Рс4 на поверхні Землі, які було проведено на Українській антарктичній станції “Академік Вернадський” і обсерваторії поблизу Харкова. Виявлено два різних типа добового ходу позиційного кута еліпса поляризації, яким дано інтерпретацію в рамках наведеної в дисертації теоретичної моделі. Показано, що класичні наземні вимірювання мікропульсацій можна використовувати для оцінки просторового спектра МГД хвиль та іоносферних провідностей.

Ключові слова: МГД хвилі, геомагнітні пульсації, штучна іоносферна турбулентність, іоносферні провідності, поляризація, чисельне моделювання.

Зализовский А.В. Радиодиагностика магнитогидродинамических волн и околоземной плазмы. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. – Институт радиофизики и электроники имени А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины, Харьков, 2001.

Работа посвящена разработке и апробации новых методов радиодиагностики околоземной плазмы, в которых в качестве зондирующих сигналов используются МГД волны резонансного типа.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Список используемой литературы содержит 74 наименования. Во введении к первой главе по материалам литературных источников сделан обзор современных методов радиодиагностики МГД волн и околоземной плазмы. Первая глава посвящена исследованию динамики искусственной мелкомасштабной ионосферной турбулентности в поле МГД волн. В ней приведены схема экспериментов по радарному зондированию области искусственной ионосферной турбулентности, изложена методика измерения параметров принимаемых сигналов, сделаны оценки погрешности измерений, описаны эффекты нелинейного взаимодействия МГД волн с искусственными ионосферными неоднородностями и несинфазности вариаций доплеровского смещения частоты сигналов, рассеянных сравнительно близкими участками возмущенной области. Нелинейное взаимодействие проявляется в виде модуляции интенсивности пробных коротковолновых сигналов с частотой МГД волн. Измеренная задержка между вариациями скорости дрейфа плазмы в разнесенных участках области ионосферной турбулентности соответствует скорости распространения волны менее 50 км/с, тогда как МГД волны распространяются с альфвеновской скоростью, величина которой в верхней ионосфере 300…600 км/с. Во второй главе диссертации дано объяснение “замедлению” МГД волн. Показано, что оно связано со стоячей компонентой волны, возникающей из-за интерференции МГД волн: распространяющейся из магнитосферы и отраженной от нижней ионосферы. В рамках простой двухволновой модели сделаны оценки коэффициентов отражения МГД волн от нижней ионосферы и интегральных проводимостей нижней ионосферы по результатам измерений амплитуд и фаз вариаций скоростей дрейфа плазмы в разнесенных точках возмущенной области. Именно эти результаты стали основой метода радарной магнитометрии ионосферы. Метод базируется на когерентных измерениях эффектов рассеяния от ионосферной плазмы, позволяющих восстановить скорости дрейфа неоднородностей, и в линейном приближении магнитной гидродинамики связать их с напряженностями соответствующих компонент полей МГД волн. Более строгая интерпретация полученных экспериментальных результатов была дана в рамках новой теоретической модели. Ее отличие от ранее известных состоит в учете произвольного наклонения геомагнитного поля и конечной проводимости Земли. В рамках новой модели получены оценки ионосферных проводимостей, которые для дневного времени составили величины порядка десятков Сименс, что согласуется с модельными расчетами, сделанными другими авторами. Традиционные методы наземных измерений резонансных микропульсаций также можно использовать для диагностики параметров околоземной плазмы. Третья глава диссертации посвящена наблюдениям и интерпретации поляризационных характеристик пульсаций классов Рс3 и Рс4. Измерения поводились в Антарктике на станции “Академик Вернадский” и обсерватории вблизи Харькова. Анализировались поляризационные характеристики пульсаций: позиционный угол между большей осью эллипса поляризации и направлением на север а также коэффициент эллиптичности. В суточном ходе позиционного угла пульсаций класса Рс4 отмечен разворот эллипса к западу в вечернее время. Коэффициент эллиптичности пульсаций класса Рс4 днем много меньше, чем ночью, вращение магнитного поля пульсаций обоих классов ночью происходит против часовой стрелки, днем – по часовой стрелке. При рассмотрении неусредненных суточных вариаций позиционного угла пульсаций класса Рс4 было обнаружено, что усредненный суточный ход является суммой двух разных типов поведения, наблюдающихся в разные дни. Первый из них, эффект “подсолнуха”, назван так, поскольку эллипс в течение дня отслеживает положение Солнца на небесной сфере подобно цветку подсолнечника, второй – характерная “арка” в послеполуденные часы на плоскости “позиционный угол – время”. В рамках изложенной во второй главе теоретической модели удалось объяснить обнаруженные эффекты. Для этого была решена прямая задача распространения МГД волн через ионосферу. Интерпретация “арке” дана в предположении о постоянном в течение дня пространственном спектре МГД волн, который стабилизируется высокодобротными магнитосферными резонаторами. Для объяснения эффекта “подсолнуха” пришлось ввести суточный ход азимутальной проекции волнового вектора магнитозвуковой моды, который моделирует движение эффективного источника по небесной сфере при низкой добротности резонаторов. Таким образом, в диссертации показано, что и традиционные наземные измерения характеристик микропульсаций могут быть использованы для диагностики структуры источника МГД волн и интегральных характеристик ионосферы, в частности, поперечных педерсеновской и холловской проводимостей.

Ключевые слова: МГД волны, геомагнитные пульсации, искусственная ионосферная турбулентность, ионосферные проводимости, поляризация, численное моделирование.

A.V.Radio frequency techniques for the diagnostics of hydromagnetic waves and the terrestrial plasma. – Manuscript.

Dissertation in partial fulfillment of the requirements for the Candidate of Science degree in Physics and Mathematics (speciality code: 01.04.03, Radio Physics). Alexander Usikov Institute for Radio Physics and Electronics of the National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 2001.

The dissertation presents results of investigating the geospace plasma by radio scientific methods, with the use of the geomagnetic Pc3/Pc4 pulsations in the capacity of sounding signals. The radar magnetometry method is developed, suggesting measurements of drift velocity components of the ionospheric plasma in the hydromagnetic wave field. New techniques have been proposed, based on the current theoretical concepts, for estimating the hydromagnetic reflection coefficients from the lower ionosphere and height-integrated ionospheric conductivities. Results are given of measuring the Pc3/Pc4 polarization parameters at the ground level, which measurements were done at the Ukrainian Antarctic station 'Akademik Vernadsky' and an observatory near Kharkov. Two characteristic types of diurnal variations have been revealed for the orientation angle of the polarization ellipse, and a physical interpretation is given to both within the theoretical model discussed in the dissertation. As has been found, traditional ground based measurements of the geomagnetic pulsations can be used for estimating ionospheric conductances and the spatial spectrum of hydromagnetic waves.

Key words: hydromagnetic waves, geomagnetic pulsations, stimulated ionospheric turbulence, ionospheric conductivities, polarization, numerical simulation.