НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О. Я. Усикова

Ляшенко Михайло Володимирович

УДК 550.388.2

РЕГІОНАЛЬНА МОДЕЛЬ ІОНОСФЕРИ ЗА ДАНИМИ ХАРКІВСЬКОГО РАДАРА НЕКОГЕРЕНТНОГО РОЗСІЯННЯ

04.00.22 – геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті іоносфери Національної академії наук України і Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук, професор Чорногор Леонід Феоктистович,

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, професор кафедри космічної радіофізики

Офіційні опоненти: |

доктор фізико-математичних наук, професор Ківва Фелікс Васильович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України, зав. відділу поширення радіохвиль у природних середовищах

доктор фізико-математичних наук, професор Рогожкін Євген Васильович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри радіоелектроніки

Захист відбудеться “8” липня 2008 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12, в актовій залі.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12.

Автореферат розісланий “6” червня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Рудь Л. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Моделювання середньоширотної іоносфери є однією з важливих проблем дослідження навколоземного середовища та космічної погоди. Даною проблемою займаються наукові колективи США, Російської Федерації, Європейського Союзу та інших країн. В Україні проблему моделювання середньоширотної іоносфери й процесів у ній вирішують харківські геофізики, до яких належить і автор дисертації.

Розробка регіональної моделі іоносфери дозволить просунутися в розумінні поведінки середньоширотної іоносфери центрально-європейського регіону та процесів, відповідальних за формування космічної погоди.

Як показує практика, глобальні моделі іоносфери та термосфери, такі як IRI (International Reference Ionosphere), MSIS (Mass-Spectrometer-Incoherent-Scatter), не завжди коректно відображають просторово-часові зміни основних параметрів іоносферної плазми в конкретних геліогеофізичних умовах і конкретному регіоні. Зокрема це пов’язано з нерівномірністю розподілу засобів спостереження за довготними секторами західної та східної півкуль. Істотне розходження в розподілі параметрів середньоширотної іоносфери над Європою та Америкою викликано незбігом географічного і геомагнітного полюсів.

Радар некогерентного розсіяння (НР) у Харкові є єдиним у середніх широтах Європи еталонним комплексним засобом для одержання відомостей про параметри та процеси, що протікають в іоносфері.

Беручи до уваги те, що фізичні властивості іоносферних параметрів мало відрізняються на відстанях ~ 1000 км (за винятком високоширотної іоносфери), дані радара НР можуть бути використані для створення регіональної моделі іоносфери, яка буде справедливою в межах кола із центром у Харкові та радіусом близько 1000 км (протяжність України приблизно 1000 Ч 1000 км).

Регіональна модель іоносфери припускає можливість розрахунку параметрів іоносферної плазми залежно від рівня сонячної активності (СА), сезону, часу доби та стану космічної погоди.

Регіональна модель може бути використана для більш точного розрахунку умов поширення радіохвиль у центрально-європейському регіоні, що дозволить зменшити потужність радіопередавальних пристроїв, поліпшити завадостійкість засобів радіозв’язку, радіолокації та радіонавігації. Зменшення енерговитрат дозволить поліпшити електромагнітну і, тим самим, екологічну обстановку як в Україні, так і Центральній Європі.

Регіональна модель іоносфери, яка має самостійну цінність під час розв’язання прикладних задач моделювання стану космічної погоди й поширення радіохвиль, також може бути використана в подальшому як одна зі складових частин Міжнародної довідкової моделі іоносфери (IRI) для підвищення точності прогнозу просторово-часового розподілу іоносферних параметрів над Центральною Європою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи отримано в рамках науково-дослідних робіт, що виконувалися в Інституті іоносфери НАН і МОН України: “Експериментальні і теоретичні дослідження сезонно-добових варіацій космічної погоди для створення прогностичних методик”, шифр “А-06-1”, номер держреєстрації 0106U007088; “Моделювання фундаментальних фізичних процесів у геокосмічній плазмі над Україною за даними некогерентного розсіяння”, шифр “Триплет”, номер держреєстрації 0106U001259; “Експериментальні і теоретичні дослідження сезонно-добових варіацій космічної погоди для створення прогностичних методик”, шифр “А-07-9”, номер держреєстрації 0107U004527; “Дослідження теплових, динамічних і фотохімічних процесів у нижній частині F-області іоносфери”, шифр “Трек”, номер держреєстрації 0206U002358; “Дослідження властивостей іоносферної плазми в областях E і F іоносфери”, шифр “А-02-5”, номер держреєстрації 0102U002996. У перших трьох роботах автор дисертації був відповідальним виконавцем, в останніх – виконавцем.

Автор дисертації став лауреатом премії Президента України для молодих учених в 2006 р. і обласного конкурсу “Кращий молодий учений Харківщини” 2006 р., відповідно, за цикл робіт “Радіофізичні спостереження над Україною і моделювання фізичних процесів у геокосмосі” та за роботу “Модель іоносфери центрально-європейського регіону”.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є побудова регіональної моделі іоносфери за даними харківського радара некогерентного розсіяння.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі розв’язуються такі задачі:

1) аналіз стану іоносфери та космічної погоди над Україною протягом циклу сонячної активності (1997 – 2006 рр.);

2) фізичне тлумачення спостережуваних фізичних процесів і явищ;

3) напівемпіричне моделювання параметрів іоносфери.

Результати, описані в даному дослідженні, отримані за допомогою єдиного в середніх широтах Європи радара некогерентного розсіяння. Дані НР використовуються для побудови моделей варіацій космічної погоди як для України й середньоширотного європейського регіону, так і в глобальних масштабах.

Для розв’язання поставлених задач використано масив експериментальних даних, отриманих на харківському радарі НР у період з 1986 р. до 2006 р. (приблизно за два цикли сонячної активності).

Об’єкт дослідження – процеси у геокосмічній плазмі в діапазоні висот 100 – 1000 км над Україною.

Предмет дослідження – особливості та моделювання фізичних процесів у геокосмосі в спокійних умовах, а також під час досить рідкісних подій у навколоземному космічному просторі – часткових сонячних затемнень.

Методи дослідження – експериментальні, статистичний аналіз отриманих результатів; напівемпіричне моделювання фізичних процесів у геокосмічній плазмі.

Наукова новизна одержаних результатів. Виявлено основні закономірності поведінки параметрів іоносфери (добовий та сезонний хід основних параметрів іоносфери, піврічна та сезонна аномалії), виконано фізичне тлумачення сезонно-добових варіацій параметрів геокосмічної плазми над Україною в період 23-го циклу сонячної активності (1997 – 2006 рр.) та проведено теоретичне моделювання цих варіацій.

Вперше побудовано напівемпіричну модель варіацій параметрів геокосмічної плазми, яка визначає зміни космічної погоди в 1997 – 2006 рр. над Україною.

Встановлено особливості фізичних процесів у геокосмічній плазмі над Україною та їх кількісні характеристики, що супроводжували рідкісні події в геокосмосі – часткові затемнення Сонця 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р. Встановлено, що ефекти затемнень Сонця упевнено спостерігалися у варіаціях параметрів іоносфери в діапазоні висот 200 – 1200 км. Виявлено зменшення концентрації електронів, температури електронів й іонів на висотах 200 – 700 км, а також збільшення концентрації іонів водню у діапазоні висот 900 – 1200 км.

Практичне значення одержаних результатів. 1) Виявлено та досліджено варіації параметрів геокосмоса, що визначають стан космічної погоди, які істотно впливають на функціонування космічних апаратів, радіоелектронних засобів, енергосистем, засобів телекомунікацій, а, можливо, і на самопочуття та здоров’я людей. 2) Проведено фізичне тлумачення та комп’ютерне моделювання, які дозволили просунутися в розв’язанні задач регіонального та глобального моделювання та прогнозування стану космічної погоди. 3) Побудовано основи напівемпіричних моделей параметрів геокосмічної плазми й їхніх варіацій у широкому діапазоні висот (100 – 1000 км) для регіону України (середньоширотної Європи).

Особистий внесок здобувача. Розв’язання задач, поставлених у дисертаційній роботі, виконано автором особисто або при його безпосередній участі. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в [1 – 24].

У роботах [1, 10, 12, 17, 18, 21] автор брав участь у аналізі експериментальних даних, отриманих на радарі НР в період з 1986 р. до 2002 р., для подальшого використання цих даних з метою побудови регіональної моделі іоносфери. Автором отримано регресійні залежності значень концентрації електронів Nm у максимумі області F2 іоносфери від рівня СА, виконано моделювання добових варіацій Nm залежно від рівня СА.

В роботах [2, 19, 22] автор брав участь в аналізі добових і сезонних варіацій параметрів геокосмічної плазми в період спаду СА. Автором також проведено теоретичне моделювання варіацій параметрів динамічних процесів у плазмі.

У роботах [3, 22] автор брав участь в аналізі, інтерпретації та моделюванні добових і сезонних варіацій параметрів геокосмоса в період максимуму 23-го циклу СА, а також у виявленні регіональних особливостей просторово-часового розподілу основних параметрів іоносфери.

У статтях [4, 22] автор брав участь в аналізі поведінки параметрів іоносферної плазми в період росту СА для чотирьох геофізичних періодів – весняного й осіннього рівнодень, літнього та зимового сонцестоянь, а також у проведенні теоретичного моделювання параметрів середовища та динамічних процесів, безпосередньо не вимірюваних на харківському радарі НР.

У роботах [11, 16, 23, 24] автором проведено аналіз добових і сезонних варіацій параметрів геокосмоса в період мінімуму 23-го циклу СА. Представлено елементи регіональної моделі іоносфери.

У статті [5] автор брав безпосередню участь у дослідженні варіацій параметрів плазми в період часткового сонячного затемнення 29 березня 2006 р., а також у оформленні результатів спостережень, аналізі та моделюванні ефектів затемнення Сонця в навколоземному середовищі над Харковом.

У статті [6] автором виконано аналіз іоносферних ефектів часткового сонячного затемнення 3 жовтня 2005 р. у Харкові. Проведено моделювання динамічних процесів у геокосмосі в період затемнення Сонця.

У роботах [7 – 9, 13 – 15, 20] автор брав безпосередню участь у дослідженні варіацій повного електронного вмісту (ПЕВ) над Харковом, в побудові карт ПЕВ для центрально-європейського регіону, а також у дослідженні хвильових процесів в навколоземному середовищі.

Апробація результатів дисертації. Результати, представлені в дисертаційній роботі, доповідалися на міжнародних, національних і місцевих конференціях, форумах, симпозіумах і семінарах. Усього опубліковано 29 тез доповідей на конференціях, основні з яких [15 – 24].

Міжнародні конференції. IRI-2005 Workshop “New satellite and ground data for IRI, and comparison with regional models” (Observatori de l'Ebre Roquetes, Spain, ); Международная конференция “Солнечно-земная физика” (Іркутськ, 2004 р.); XI, XII, XIII, XIV и XV Международная научно-практическая конференция: Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье (Харків, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.); Байкальская Молодежная Научная Школа по Фундаментальной Физике (Іркутськ, 2003, 2004, 2005 рр.); Второй Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ – (Международная конференция по системам локации и навигации. МКСЛН – ) (Харків, 2005 р.); XXI Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005 р.); 6-th International conference “Problems of geocosmos” (St. Petersburg, Russia, 2006).

Національні конференції. II, III, IV, V, VI і VII Українська конференція з перспективних космічних досліджень (відповідно 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.); Школа-семінар для молодих учених “Наукові космічні дослідження” (с. Жукин, Київська обл., відповідно 2003, 2004, 2005 рр.).

Місцеві конференції. III, IV і V Харківська конференція молодих учених “Радіофізика та НВЧ електроніка” (Харків, відповідно 2004, 2004, 2005 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 8 статтях у фахових вітчизняних і зарубіжних журналах та додатково висвітлено в 6 статтях у нефахових наукових виданнях і 10 тезах доповідей на конференціях різного рівня.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаної літератури, включає 21 таблицю та 81 рисунок. Перелік використаних джерел містить 129 бібліографічних посилань на 15 сторінках. Основний текст роботи викладено на 144 сторінках друкованого тексту. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 204 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, описано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також структуру та короткий зміст роботи.

У першому розділі представлено аналітичний огляд літератури, присвяченої моделюванню варіацій параметрів іоносферної плазми. Розглянуто типи іоносферних моделей і принципи їх побудови. Наведено приклади сучасних емпіричних, теоретичних і напівемпіричних моделей іоносфери, коротко дано їх опис. Визначено проблеми та задачі моделювання основних параметрів іоносферної плазми в спокійних умовах.

У розділі також наведено короткий опис технічних характеристик засобів радіозондування іоносфери – радара НР й іонозонда “Базис” Інституту іоносфери НАН і МОН України.

Харківський радар НР дозволяє одержувати з високою точністю (від одиниць процентів) і заданим розділенням по висоті (10 – 100 км) такі параметри іоносфери: концентрацію електронів N, температури іонів Ti та електронів Te, вертикальну складову швидкості переносу плазми Vz і відносний іонній склад в діапазоні висот 100 – 1000 км.

У розділі також наведено аналіз похибок одержуваних даних.

У другому розділі представлено результати аналізу сезонно-добових варіацій параметрів іоносфери на різних фазах 23-го циклу сонячної активності (СА) (1997 – 2006 рр.) для чотирьох характерних геофізичних періодів: літнього й зимового сонцестоянь, весняного й осіннього рівнодень.

У табл. 1 наведено дати вимірювань на харківському радарі НР.

Таблиця 1.

Дати вимірів на харківському радарі НР

Зростання СА | Максимум СА | Спад СА | Мінімум СА

24 – 26.03.1998 р.

24 – 25.06.1997 р.

22 – 23.09.1998 р.

02 – 04.12.1997 р. | 12 – 14.03.2002 р.

09 – 11.06.2000 р.

11 – 12.09.2001 р.

12 – 13.06.2000 р. | 29 – 31.03.2004 р.

15 – 17.06.2004 р.

13 – 16.09.2004 р.

16 – 18.12.2003 р. | 29 – 31.03.2006 р.

21 – 23.06.2006 р.

20 – 22.09.2006 р.

19 – 22.12.2006 р.

Для середніх широт центрально-європейського регіону підтверджено, що основні параметри геокосмічної плазми зазнавали значних добових і сезонних варіацій протягом 23-го циклу сонячної активності. Ці варіації не були монотонними.

Як і слід було сподіватися, на всіх фазах 23-го циклу СА варіації концентрації електронів на висотах нижче максимуму області F2 іоносфери як узимку, так і влітку залежали, в основному, від величини зенітного кута Сонця. Вище максимуму іонізації істотну роль у формуванні профілю концентрації електронів відігравали потоки частинок й енергії. Існування локальних максимумів у нічні години можна пояснити потоками частинок із плазмосфери в іоносферу.

У максимумі СА в період літнього сонцестояння в денний час концентрація електронів Nmax була приблизно в 1,2 і 2,2 рази більше Nmin у мінімумі СА на висотах 300 і 400 км відповідно. У нічних умовах Nmax > Nmin в 2,4 і 6,5 рази на висотах 300 і 400 км. У зимовий період удень Nmax > Nmin в 5,9 і 3,6 рази, а в нічні години концентрації різняться в 1,5 і 2,8 рази на тих же висотах.

Для весняного рівнодення в денні години в період максимальної активності Сонця концентрація N в 5,8 і 9,4 рази перевищувала значення N у мінімумі СА на висотах 300 і 400 км. У період осіннього рівнодення розходження між значеннями N у максимумі та мінімумі СА в денні години становило 4,4 і 9,5 рази на тих же висотах. У нічні години в періоди рівнодень значення N у максимумі СА приблизно в 2,5 і 6,5 рази більше значень N у мінімумі СА.

Температура електронів на всіх фазах сонячного циклу зазнавала значних добових варіацій. У добових варіаціях Ті реєструвалися два максимуми – ранковий (09 – 11 LT) і вечірній (16 – 20 LT). Помічено, що зі збільшенням висоти положення цих максимумів зсувалися на більш ранні та пізні години відповідно. У добових варіаціях Te також досить добре був виражений локальний мінімум в полуденні години, що обумовлено зростанням інтенсивності охолодження електронного газу в результаті збільшення концентрації частинок і швидкості передачі тепла від електронів до іонів у процесі електрон-іонних зіткнень.

Температура електронів у максимумі та мінімумі СА в періоди, близькі до весняного й осіннього рівнодень, у денні години розрізнялася не більш ніж в 1,3 – 1,5 рази. У нічні години значення Te у максимумі СА перевищували значення Te у період мінімуму приблизно в 1,7 рази. Улітку значення Te у максимумі СА в денні години приблизно в 1,2 рази були більші значень Te у мінімумі СА. Уночі значення Temax були більші Temin приблизно в 1,2 рази на висотах 300 і 400 км.

Для періоду зимового сонцестояння в мінімумі СА вдень значення Te приблизно на 400 і 100 К були більші значень Te у максимумі активності на висотах 300 і 400 км відповідно. У нічних умовах тенденція перевищення значень Te у мінімумі активності над значеннями Te у максимумі активності зберігалася та становила 120 – 150 К у діапазоні висот 300 – 400 км.

У добових варіаціях Ti явно виражені максимуми не виявлялися. Як і слід було сподіватися, температура іонів збільшувалася зі сходом Сонця в місці спостереження, досягала максимальних значень і зменшувалася після заходу Сонця.

Для періоду літнього сонцестояння в максимумі СА вдень значення Ti приблизно на 220 і 120 К були більші значень Ti у мінімумі СА на висотах 300 і 400 км. На тих же висотах у нічних умовах значення Timax були більші Timin приблизно на 220 – 230 К. Узимку в денний час значення Timax > Timin приблизно на 250 – 330 К у діапазоні висот 300 – 400 км, уночі – приблизно на 120 – 200 К.

Параметри іоносферної плазми зазнавали значних варіацій залежно від сезону. Для середніх широт європейського регіону у варіаціях концентрації електронів на висотах, близьких до висоти максимуму шару F2, мали місце сезонна та піврічна аномалії. Для періоду максимуму СА отримано, що зимові значення Nm перевищували літні приблизно в 2,5 – 3 рази. У мінімумі СА також мали місце ефекти сезонної аномалії. Установлено, що в мінімумі СА зимові полуденні значення Nm усього на 10 – 15 % були більші літніх. Зі збільшенням висоти та вночі ефекти сезонної аномалії не проявлялися.

Все це підтвердило існування ефекту піврічної аномалії, що полягає в перевищенні значень N у періоди рівнодень над значеннями концентрації електронів у періоди сонцестоянь. У період максимуму СА денні значення Nm у період весняного рівнодення перевищували зимові на 15 %, літні – на 78 %. Для мінімуму СА весняні й осінні значення N у максимумі області F2 іоносфери перевищували літні й зимові приблизно на 6 %.

Третій розділ присвячено моделюванню регулярних варіацій параметрів іоносферної плазми.

У даному розділі представлено результати аналізу даних харківського радара НР, використані для побудови моделі іоносфери над центрально-європейським регіоном. Для розв’язання поставленої задачі проаналізовано масив експериментальних даних НР із 1986 р. до 2002 р. Отримано регресійні залежності концентрації електронів Nm у максимумі шару F2 іоносфери від індексу СА F10,7 для 00 і 12 годин місцевого часу. Проведено аналіз сезонних варіацій концентрації Nm у максимумі шару F2 іоносфери. Виявлено ряд регіональних особливостей поведінки Nm. Так, для опівнічних значень Nm спостерігався зсув літнього максимуму в сезонних варіаціях на 1 місяць під кінець року зі збільшенням рівня СА. Для полуденних значень Nm найбільш помітною особливістю сезонних варіацій був зсув рівноденних максимумів (особливо весняного) на початок року приблизно на 2 місяці з ростом СА.

Таким чином, установлено, що дані харківського радара НР доцільно використовувати для підвищення точності моделювання параметрів іоносфери над Центральною Європою. Отримані регресії дозволяють розраховувати значення Nm із задовільною точністю при відображенні основних особливостей сезонних варіацій Nm на різних фазах СА.

Як відомо, задача моделювання фізико-хімічних процесів в іоносфері є багатоплановою. В одних випадках теоретичному моделюванню підлягають висотно-часові розподіли N, Te, Ti та інших параметрів. Потім ці розподіли порівнюються з результатами спостережень.

В інших випадках теоретичне моделювання спрямоване на розрахунок параметрів нейтральної атмосфери та плазми, які безпосередньо не вимірюються методом НР. Такими параметрами є частоти зіткнень заряджених і нейтральних частинок, поздовжні компоненти тензорів амбіполярної дифузії та теплопровідності, величини енергії, яка підводиться до електронів, перенос тепла електронами то що.

У дисертаційній роботі основна увага приділяється другому напрямку, тому що він недостатньо представлений у літературі.

У розділі наведено результати моделювання добових і сезонних варіацій параметрів динамічних процесів з використанням експериментальних даних харківського радара НР. Для розрахунків параметрів нейтральної атмосфери залучалася термосферна емпірична модель NRLMSISE.

При використанні відомих теоретичних співвідношень, розраховано такі параметри: густина повного потоку частинок і потоку частинок за рахунок амбіполярної дифузії; величини швидкостей еквівалентного нейтрального вітру та меридіональної складової нейтрального вітру; густина потоку тепла, яке переноситься електронами з плазмосфери в іоносферу; величина енергії, яка підводиться до електронного газу. Виконано розрахунок значень поздовжньої складової тензорів амбіполярної дифузії та теплопровідності електронного газу, частоти зіткнень електронів з іонами та іонів з нейтральними частинками.

Результати моделювання параметрів іоносферної плазми представлено в табличному вигляді. Кожна з таблиць являє собою добові варіації параметрів іоносфери на фіксованих висотах. До вихідних параметрів регіональної моделі належать:

1) первинні, одержувані з вимірювань, параметри середовища – концентрація електронів N, температури електронів Te й іонів Ti, швидкість переносу плазми Vz;

2) вторинні параметри середовища, що безпосередньо не вимірюються на радарі НР – частоти зіткнень заряджених і нейтральних частинок (нei та нin), поздовжні складові тензорів амбіполярної дифузії Da та теплопровідності кe, плазмова приведена висота Hp, плазмова температура Tp;

3) модельні параметри динамічних процесів у геокосмосі – швидкість переносу частинок за рахунок амбіполярної дифузії Vdz, густина повного потоку частинок Рp, густина потоку за рахунок амбіполярної дифузії Рd, швидкості нейтральних вітрів (w та Vnx), підведення енергії до електронів Q і густина потоку тепла РT, яке переноситься електронами з плазмосфери в іоносферу.

У розділі також наведено похибки модельних параметрів геокосмічної плазми, що увійшли до регіональної напівемпіричної моделі іоносфери. У табл. 2 представлені результати розрахунку відносних статистичних похибок первинних і вторинних параметрів іоносфери для різних значень співвідношення сигнал/шум q і часу накопичення tн.

Похибка розрахунку параметрів геокосмічної плазми за регіональною напівемпіричною моделлю, у першу чергу, залежить від похибки визначення первинних параметрів плазми (концентрації електронів, температури електронів й іонів, швидкості переносу плазми), одержаних безпосередньо в ході експерименту на радарі НР. Більш докладно ці похибки розглянуто в підпункті 1.2.3 і табл. 1.4 дисертаційної роботи.

Похибки параметрів динамічних процесів іоносферній плазмі розраховувалися з застосуванням методу переносу помилок і використанням даних про похибки первинних параметрів іоносфери.

Як і слід було сподіватися, що зі зменшенням співвідношення сигнал/шум має місце збільшення похибки визначення первинних параметрів іоносфери і, внаслідок цього, збільшення похибок розрахунку вторинних параметрів середовища (табл. 2). Так, наприклад, при зменшенні співвідношення q в 10 разів відносна похибка первинних і вторинних параметрів збільшується приблизно в 1,3 і 1,5 рази. При зменшенні q приблизно в 100 разів похибки для N, Te і Ti збільшуються в 6,5, 4,9 і 7,3 рази відповідно. Для плазмової температури та приведеної висоти відносна похибка збільшується приблизно в 6,6 рази. Для частот зіткнень нei і нin збільшення похибки становить 5,9 і 7,5 рази відповідно, для поздовжніх складових тензорів амбіполярної дифузії та теплопровідності збільшення відносної похибки склало 6,7 і 5,8 рази.

Таблиця 2.

Розрахунок відносних статистичних похибок первинних і вторинних параметрів іоносферної плазми для різних значень співвідношення сигнал/шум q і часу накопичення tн = 15 хв

Похибки | q = 10 | q = 1 | q = 0,2

0,026 | 0,039 | 0,169

0,013 | 0,017 | 0,064

0,022 | 0,035 | 0,161

0,200 | 0,250 | 0,300

0,069 | 0,104 | 0,459

0,026 | 0,039 | 0,173

0,026 | 0,039 | 0,173

0,033 | 0,047 | 0,194

0,008 | 0,013 | 0,060

0,027 | 0,041 | 0,183

0,044 | 0,063 | 0,256

0,202 | 0,253 | 0,344

0,073 | 0,111 | 0,489

0,211 | 0,271 | 0,548

0,211 | 0,271 | 0,548

0,123 | 0,181 | 0,781

0,064 | 0,092 | 0,383

У цілому ж, отримані значення похибок розрахунку параметрів іоносфери можна вважати прийнятними.

У розділі також представлено результати порівняльного аналізу варіацій параметрів середовища та динамічних процесів у геокосмосі на різних фазах 23-го циклу СА. Виявлено, що значення густини потоків заряджених частинок і тепла, величини енергії, яка підводиться до електронів, частоти зіткнень нейтральних і заряджених частинок, значення поздовжніх складових тензорів амбіполярної дифузії та теплопровідності зазнавали значних варіацій протягом циклу сонячної активності.

Отримано, що величини густини потоків заряджених частинок у максимумі СА приблизно в 5 – 7 разів були більші значень густини потоків частинок плазми в мінімумі СА як у періоди рівнодень, так і в періоди сонцестоянь. Величина енергії, яка підводиться до електронного газу, в період максимальної активності Сонця приблизно на 70 – 80була більше величини Q/N у період мінімуму СА.

Значення поздовжньої складової тензора амбіполярної дифузії Da в період максимуму СА приблизно в 2,4 – 3,1 рази були більші значень Da в мінімумі СА в денні години. В нічних умовах значення Da в період мінімуму СА приблизно в 1,25 – 1,6 рази перевищували Da в період максимуму СА для березня, вересня та грудня. Для періоду літнього сонцестояння розходження становило приблизно 3,2 рази.

В період максимуму СА значення поздовжньої складової тензора теплопровідності ке були приблизно на 30 – 60 % більші значень ке в мінімумі СА в періоди літнього сонцестояння й осіннього рівнодення. Для періодів зимового сонцестояння та весняного рівнодення мала місце протилежна ситуація. Значення ке в мінімумі СА були приблизно в 1,6 – 2,1 рази більше значень ке в період максимальної активності Сонця.

Частота зіткнень електронів з іонами в період максимуму СА приблизно в 7,5 разів була більша аналогічних значень у період мінімальної активності Сонця. У нічні години значення нei у максимумі СА перевищували значення в мінімумі СА не більш ніж в 1,5 рази. Для всіх сезонів у денний час доби нinmax > нinmin приблизно в 2,5 – 3,8 рази. У нічних умовах частоти нin у мінімумі та максимумі СА розрізнялися приблизно в 3 – 4 рази для всіх сезонів.

Четвертий розділ присвячено моделюванню нерегулярних варіацій фонових значень параметрів іоносферної плазми. До таких нерегулярних подій у геокосмічному середовищі можна віднести затемнення Сонця (ЗС).

Процеси в геокосмічній плазмі, що супроводжують ЗС, якісно подібні до процесів, що протікають у вечірньо-ранковий час. Спостереження при кожному ЗС дозволяють виявити та уточнити супутні динамічні процеси в геокосмосі. Ці процеси істотно впливають на параметри атмосферно-іоносферного каналу поширення радіохвиль у широкому діапазоні частот (від ДНЧ до УВЧ), а значить і на точність і якість функціонування радіоелектронних систем різного призначення.

У даному розділі представлено результати аналізу та моделювання ефектів у геокосмосі, що супроводжували два часткових сонячних затемнення 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р. Також представлено порівняльний аналіз ефектів в іоносфері, викликаних ЗС 11 серпня 1999 р., 31 травня 2003 р., 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р.

Затемнення Сонця 3 жовтня 2005 р. над Харковом було частковим. Воно почалося в 08:36 (тут і далі UT), а закінчилося в 10:42. Максимальне покриття диска Сонця спостерігалося в 09:38. Функція покриття диска Сонця не перевищувала 24 %, освітленість поверхні Землі й атмосфери зменшилася не більш ніж в 1,3 рази. Незважаючи на це, ефекти затемнення досить упевнено спостерігалися у варіаціях параметрів іоносферної плазми.

ЗС привело до зменшення на 5 – 6 % концентрації електронів у максимумі шару F2 іоносфери. Збільшення висоти цього шару, очевидно, не перевищувало декількох кілометрів. Установлено, що затемнення супроводжувалося уповільненням швидкості падіння N у часі на висотах 190 – 210 км й її прискоренням на висотах 290 – 680 км.

Під час затемнення 3 жовтня 2005 р. виявлено малоінерційне зменшення температури електронів і інерційне (із запізнюванням 25 – 5 хв на висотах 240 – 410 км відповідно) зменшення температури іонів. Величина цих ефектів поступово збільшувалася з зростання висоти. Зменшення Тe і Тi досягли відповідно 200 і 80 К (або ~ 10 і 8 %) на висоті близько 410 км.

Виявлено, що в день затемнення на висотах 360 – 470 км спостерігалося збільшення модуля спрямованої вниз вертикальної складової швидкості переносу плазми приблизно на 20 м/с. На відміну від контрольних днів поблизу моменту фази максимального покриття диска Сонця на всіх висотах згадана складова швидкості приймала негативні значення (як у нічний час).

Затемнення Сонця супроводжувалося збільшенням до двох разів концентрації іонів водню на висотах 400 – 800 км й її зменшенням в 7 – 10 разів на висотах 900 – 1200 км, що характерно для нічної іоносфери.

Ефекти ЗС 3 жовтня 2005 р. упевнено виявилися у варіаціях параметрів динамічних процесів в іоносферній плазмі. Показано, що на висотах 340 – 410 км ЗС супроводжувалося істотним збільшенням значень густини повного потоку плазми з плазмосфери. Затемнення супроводжувалось збільшенням на десятки процентів густини потоку заряджених частинок за рахунок амбіполярної дифузії.

Виявлено, що ЗС на висотах 290 – 340 км привело до зменшення на 40 – 20величини енергії, яка підводиться до електронів.

Показано, що величина густини потоку тепла, яке переноситься електронами, зменшувалася на 17 – 13 % на висотах 290 – 340 км відповідно.

Установлено, що ЗС супроводжувалося зменшенням температури нейтралів на 35 – 45 К на висотах 300 – 360 км. Затемнення викликало зменшення цієї температури, принаймні, на 5 – 15 К. Великомасштабний (порядку кілька тисяч кілометрів) спад температури газу в термосфері міг бути причиною змін хвильової активності в атмосфері та іоносфері, що й спостерігалося.

Продемонстровано, що на висотах 410 – 490 км протягом ЗС відбувалися істотні зміни компоненти швидкості вертикального переносу плазми за рахунок вітрового захоплення та електромагнітного дрейфу.

Аналіз даних експерименту та результатів моделювання показав, що навіть слабке часткове ЗС здатне привести до помітної перебудови фізичних процесів в атмосфері та іоносфері.

Затемнення Сонця 29 березня 2006 р. також було частковим. Максимальне покриття диска Сонця становило 77,4 %. При цьому освітленість поверхні Землі зменшилася більш, ніж в 5 разів. Затемнення над Харковом спостерігалося з 10:02 до 12:21 UT, максимальне покриття диска Сонця мало місце в 11:12 UT. Загальна тривалість часткового затемнення над Харковом склала 2 години 18 хв.

Затемнення 29 березня 2006 р. викликало в геокосмосі ряд складних динамічних процесів, що істотно впливають на параметри атмосферно-іоносферного каналу поширення радіохвиль. Як і під час ЗС 3 жовтня 2005 р., варіації параметрів середовища якісно нагадували короткочасну перебудову середовища до нічних умов і назад до денного. Під час ЗС спостерігалося зменшення критичної частоти шару F2 на 18концентрації електронів у максимумі області F2 іоносфери на 33 %, збільшення висоти максимуму шару на 30 км.

Відзначено також зменшення температури електронів на 150 – 300 К і температури іонів на 100 – 200 К у діапазоні висот 210 – 490 км.

Збільшення відносної концентрації іонів водню N(H+)/N під час максимальної фази ЗС становило 25 і 20 % на висотах 900 і 1200 км відповідно.

ЗС 29 березня 2006 р. також істотно вплинуло на поводження параметрів процесів переносу заряджених частинок і енергії в іоносфері. Так, під час затемнення мало місце збільшення значень швидкості нейтрального вітру w та меридіональної швидкості нейтрального вітру Vnx до –(40 – 20) м/с і –(110 – 55) м/с відповідно в діапазоні висот 290 – 410 км. У момент ЗС величина густини потоку заряджених частинок збільшилася в порівнянні з контрольним днем приблизно на 60 і 40 % висотах 340 і 410 км відповідно.

Величина енергії, яка підводиться до електронного газу, Q/N зменшилася під час ЗС приблизно на 20 % на висоті 290 км, що добре пояснює причину зменшення температури електронів.

Зменшення величини густини потоку тепла, яке переноситься електронами з плазмосфери в іоносферу, під час ЗС на висоті 340 км склало близько 1,5 разів. Варіації ПТ погоджуються з варіаціями температури електронів під час ЗС.

Порівняння затемнень Сонця 11 серпня 1999 р., 31 травня 2003 р., 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р. показало, що ефекти в іоносферній плазмі, що супроводжують розглянуті ЗС, якісно подібні. Однак у варіаціях параметрів середовища під час подібних за своїми характеристиками ЗС мали місце значні кількісні розходження. Природно, до таких розходжень приводило те, що ці затемнення мали місце в різних геліогеофізичних умовах (при низьких рівнях сонячної й магнітної активностей, у різний час доби і т. д.). Таким чином, підтверджено, що кожне ЗС має свої індивідуальні особливості.

ВИСНОВКИ

У роботі розв’язано актуальну задачу побудови регіональної напівемпіричної моделі іоносфери за даними радара НР у Харкові, яка може бути використана для більш точного розрахунку умов поширення радіохвиль у центрально-європейському регіоні, що дозволить зменшити потужність радіопередавальних пристроїв, поліпшити завадостійкість засобів радіозв’язку, радіолокації та радіонавігації, а також для розв’язання задач моделювання стану космічної погоди.

Основні результати роботи полягають у такому:

1. Отримано регресійні залежності концентрації електронів від індексу СА F10,7 для 00 і 12 годин місцевого часу. Отримано аналітичну залежність, що описує добові варіації Nm для різних рівнів СА.

2. Отримано кількісні характеристики добових і сезонних варіацій основних параметрів геокосмічної плазми в діапазоні висот 100 – 1000 км в 1997 – 2006 рр.

3. Проаналізовано добові та сезонні варіації параметрів геокосмічної плазми в періоди, близькі до весняного й осіннього рівнодень, зимового та літнього сонцестоянь на різних фазах 23-го циклу СА. Для середніх широт центрально-європейського регіону підтверджено, що основні параметри геокосмічної плазми зазнають значних і немонотонних добових і сезонних варіацій протягом циклу сонячної активності. Визначено межі цих варіацій.

Підтверджено існування сезонної та піврічної аномалій у варіаціях концентрації електронів на висотах, близьких до висоти максимуму шару F2 іоносфери.

4. Побудовано регіональну напівемпіричну модель іоносфери за даними радара НР у Харкові, що дозволяє розраховувати основні параметри іоносфери, а також параметри динамічних процесів у плазмі. Дану модель рекомендується використовувати для оцінки стану та прогнозу космічної погоди, для більш точного розрахунку умов поширення радіохвиль різних діапазонів у центрально-європейському регіоні, що дозволить зменшити потужність радіопередавальних пристроїв, поліпшити завадостійкість засобів радіозв’язку, радіолокації та радіонавігації, знизити електромагнітне “забруднення” навколишнього середовища тощо.

5. Досліджено ефекти рідкісних подій у навколоземному космічному просторі – часткових сонячних затемнень 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р. Установлено, що ефекти ЗС досить упевнено спостерігалися у варіаціях параметрів іоносферної плазми в діапазоні висот 200 – 1200 км. Виявлено зменшення концентрації електронів, температури електронів й іонів на висотах 200 – 700 км, а також збільшення концентрації іонів водню у діапазоні висот 900 – 1200 км.

6. Виконано моделювання варіацій параметрів динамічних процесів у середовищі під час ЗС 3 жовтня 2005 р. і 29 березня 2006 р. Показано, що ефекти ЗС привели до помітної перебудови фізичних процесів у плазмі. Варіації параметрів іоносфери під час ЗС якісно подібні варіаціям у ранкові та вечірні години.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.