Введение к работе
Интенсивные исследования верхней ионосферы и околоземного осмического пространства, выполненные в последние десятилетия на снове комплексных наземных и спутниковых экспериментов, привели
значительному прогрессу в представлениях и роли магнитосфер-о-ионосферного взаимодействия в формировании крупномасштабной труктуры субавроральной ионосферы. Субавроральная ионосфера яз-яется переходной зоной от среднеширотнои ионосферы, в которой изические процессы, обуславливающие ее строение и динамику, про-сходят внутри плазмосферы, к высокоширотной ионосфере, расползающейся за плазмосферой и управляемой в основном магнитосферными роцессами. Впервые термин "субавроральная ионосфера" был введен іде в 19Є6 году А.Л.Мамруковкм в результате исследований структу-ы ионосферы над Якутском [1], где введение этого термина обосно-ывалось тем фактом, что в невозмущенных условиях параметры ноосферы над Якутском имеют характер среднеширотнои ионосферы, а в эзмущенные периоды они обладают всеми особенностями авроральной оносферы. Действительно, как показали результаты исследований в эследние годы, субавроральная ионосфера, располагающаяся в основний силовых трубок внутренней магнитосферы, прилегающих к про-гсции плазмопэузы, обладает целым рядом специфических структурных эразований и физических явлений, отсутствующих в других широтных жах. К ним следует отнести: главный ионосферный провал ( ГИП ) широтном распределении электронной концентрации области F ; уз-ій провал ионизации в области F, обусловленный развитием в Парижі магнитосферных возмущений так называемого "поляризационного кета" - узкой струи быстрого дрейфа ионов к западу вблизи про-сции плазмспаузы ; резкий градиент плотности плазмы на больших .юотах - плазмопауза ; существование границы крупномасштабной ігнитосферной конвекции ; провал легких ионов ; среднеширотные лабильные красные дуги ; " оторванные " дуги и пятна сияний на ^бавроральных широтах ; оптические вспышки и пульсации и т. д.
Основной причиной возникновения вышеперечисленных особенностей іляются. по всей видимости, процессы, образующиеся при взаимо-гйствии вращающейся вместе с Землей холодной и плотной плазмы измосферы с горячей плазмой плазменного слоя.
Уже около 20 лет в России ведется программа исследований физи-
ки субавроральной ионосферы на основе-комплексных координирован
ных наземных и спутниковых измерений. Первый эксперимент таки)
многоточечных ионосферно-магнитосферных измерений был проведет
при запуске спутника "Космос-261" в декабре 1968 г. в рамках ши
роко известной программы "Интеркосмос". Одновременно с 3anycK0N
этого спутника проводились наземные измерения по программе комп
лексной высокоширотной геофизической экспедиции, где принимал!-
участие-ряд институтов АН СССР по многим видам геофизических наб
людений: ионосферные, магнитометрические и риометрические измере
ния, наблюдения полярных сияний и свечения ночного неба, радиоле^
кационные наблюдения, регистрация уровня поля КВ-передатчика ^
ОНЧ излучений и т. д. Впервые были проведены широкомасштабные
комплексные измерения и таким образом была преодолена изолирован
ность, царившая в некоторых видах наземных геофизических наблюде
ний, возобладал комплексный подход к .постановке крупных магни-
тосферно-ионосферных экспериментов. Начался совместный анали;
разных типов наблюдений и при этом основное внимание было уделене
изучению в околоземном космическом пространстве структурных осо
бенностей ионосферы и плазмосферы, физической сути происходящих Е
них процессов и их разнообразным наблюдаемым проявлениям в назем
ных И СПУТНИКОВЫХ ИЗМереНИЯХ. '-;
С тех пор было проведено большое количество координировании) наземных и спутниковых экспериментов, vглавным образом, в рамка) советско-французского научного космического проекта АРКАД по исследованию магнитосферно-ионосферных процессов, в которых был получен целый ряд научных результатов, составивших основу представляемой диссертации.'
Выделим основные нерешенные проблемы физики субавроральной верхней ионосферы, которые существуют в настоящее время. При ЗТОЇ, будем учитывать выводы заказной обзорной статьи по данной проблеме, опубликованной недавно известными специалистами в этой.области Роджером, Моффитом и Киганом [2]. На наш взгляд, эти проблемы сводятся к следующим вопросам, которые требуют как экспериментальных исследований, так и теоретических расчетов, выполненных с использованием известных математических моделей высокоширотной ионосферы, основанных на достоверных экспериментальны) фактах.
1. До конца не выяснена детальная картина конвекции плазмы об-
ласти F на субавроральных широтах. Неизвестны изменения в картине конвекции, зависящие от изменений параметров межпланетного магнитного поля и уровня геомагнитной активности.
-
Хотя существуют достаточно много механизмов образования главного ионосферного провала ( см... например, монографии [3,4]). но до сих пор не выявлен основной механизм формирования ГИП.
-
Отсутствуют детальные исследования влияния полосы быстрых субавроральных.ионных дрейфов на структуру ионосферы. Не разработан механизм генерации сильных электрических полей, направленных к полюсу, вблизи проекции плазмопаузы, согласующийся со всеми наблюдаемыми экспериментальными фактами.
-
Открытым остается вопрос о пространственной локализации границы крупномасштабной магнитосферной конвекции, о проникновении электрического поля магнитосферного происхождения на средние широты, неизвестна степень экранирования этого поля на альфве-новском слое.
5.. Неизвестно взаимное расположение основных плазменных границ внутренней магнитосферы (таких как экваториальная граница диффузных вторжений малоэнергичных электронов, проекция плазмопаузы на ионосферные высоты, граница конвекции) и особенностей структуры верхней ионосферы на субавроральных широтах (главный ионосферный провал с его крутой полярной стенкой, узкий провал ионизации в области F, провал легких ионов).
Учитывая все эти нерешенные проблемы физики субавроральной ионосферы, можно следующим образом сформулировать - цель работы: экспериментальные "исследования крупномасштабной структуры субавроральной верхней ионосферы и физических процессов на этих- широтах на основе комплексных наземных и спутниковых измерений и использование полученных результатов в целях изучения механизмов образования и диагностики основных структурных особенностей субавроральной ионосферы и внутренней магнитосферы.
Актуальность проблемы исследований крупномасштабной структуры субавроральной ионосферы обусловлена не только проблемами выяснения физических ; механизмов сложных процессов ионосферно-магни-госферного взаимодействия/ а также тем фактом, что эти структуры существенным образом влияют на условия прохождения коротких радиоволн. Проблема обеспечения стабильной и бесперебойной радиосвязи в районах Крайнего Севера России имеет важное значение не только
при связи Земля-Космос, но также в самолетной радиосвязи и в ра боте наземных линий КВ-радиосвязи, которые до сих пор .остаютс основным видом каналов связи между отдаленными населенными пунк тами на обширных территориях Севера России. В связи с этим чрез вычайнэ актуальной становится проблема проведения теоретических экспериментальных исследований, направленных на разработку надеж ных и обоснованных методов диагностики среды распространения ра диоволн, основанных на достаточно простых методах наземных геофи зических измерений. Результаты, представленные в диссертации, вы явили основу для обеспечения краткосрочного прогноза состояни ночной субавроральной ионосферы над значительной территорие Крайнего Севера России.
Новизна работы состоит в том, что в ней впервые представлен обобщенная картина процессов, формирующих крупномасштабную струк туру субавроральной ионосферы, основанная на физических представ .пениях, согласующихся между собой и дополняющих друг друга.
Целенаправленные, координированные со спутниковыми измерениям наблюдения на меридиональной цепочке геофизических станций с вы бором и детальным анализом характерных "тестовых" геофизически ситуаций позволили впервые отождествить "автографы" в ионосферны данных ряда важных крупномасштабных структур в субаврорально верхней ионосфере.
Впервые обнаружены, описаны и использованы для анализа по ма териалам наземных ионосферных . станций характерные и^менени л'руктуры субавроральной ионосферы в периоды возникновения явле гля быстрых субавроральных ионных дрейфов вблизи зенита ^станци .чблюдеяия.
Ло измерениям на меридиональной цепочке станций, определяющи параметру дрейфа ионизации области F методом Д1, впервые заре гистркрована широкая полоса западного дрейфа плазмы в области ми нимума главного провала в неосвещенное время суток, позволяюща предложить основной механизм формирования ГИП.
Впервые,исследованы особенности'дрейфа ионизации в области по
ляркой стенки главного провала по измерениям методом Д1, позво
лившие- установить совпадение границы крупномасштабной магни
тосферной конвекции с полярной кромкой главного ионосферного про
вала в -околополуночные часы. .
Достоверность полученных в , работе выводов и , результате
ібусловлена тем фактом, что она основана на большом экспериментальном материале, полученном как с участием автора, так и раз-шчными методами другими исследователями. Практические методики гсследования крупномасштабной структуры субавроральной ионосферы, іредложенньїе в работе, апробированы на многочисленных одновременное прямых измерениях со спутников. Результаты апробации показали фименимость предложенных методик и достоверность принципов их іазработки.
Научная и практическая ценность работы определяется интенсив-шм развитием в последнее время понимания и математического моде-іирования процессов, протекающих на широтах субавроральной зоны и : соответствующей области внутренней магнитосферы Земли. Вместе с 'ем, эта важная область внутренней магнитосферы остается надоста-'очно исследованной, несмотря на очевидную важность и своеобразие фотекающих здесь физических процессов и их определяющую роль в юрмировании характеристик "подстилающей" субавроральной ионосфе-1Ы, что связано, главным образом, с недостатком экспериментальных ;анных. Полученные в работе результаты, на наш взгляд, восполняют тот недостаток. В связи с этим можно считать, что существующая еть ионосферных станций вертикального зондирования, наклонного 'братного рассеяния и измерения дрейфов методом Д1 является остаточно эффективным исследовательским инструментом с богатыми озможностями для решения актуальных задач по физике субаврораль-:ой ионосферы, в особенности, если такие наблюдения дополнены инхронными измерениями со спутников.
Полученные в работе результаты уже используются в диагностике остояния субавроральной ионосферы в рамках проводимых и готовя-дхся магнитосферных экспериментов, , таких как на спутниках "Оре-л-3", "Космос-1809", "Активный", будущего проекта "Интербол", а акже для решения прикладных задач. Они также могут быть особенно олезны для научного обеспечения повышения устойчивости и надеж-ости работы KB линий радиосвязи на высоких широтах.
На защиту выносятся следующие положения:
1. По измерениям на меридиональной цепочке станций Д1 впервые арегистрирована широкая (5-Ю град, по широте) полоса западного рейфа ионизации F слоя в области минимума главного ионосферного ровала в неосвещенное время суток. Такая полоса дрейфа создает в той области явление "застоя" силовых трубок, приводящее к форми-
рованию главного провала ионизации.
-
Экспериментально установлено, что быстрые субавроральные ионные дрейфы формируют в области F узкие и глубокие провалы ионизации. По наземным и спутниковым измерениям получены пространственные и временные характеристики узких провалов.
-
На основе одновременных наземных и спутниковых измерений показано, что в околополуночные часы в периоды умеренных магнитных возмущений проекция плазмопаузы пространственно совпадает с положением полярной стенки главного ионосферного провала. Следовательно, в эти моменты времени главный провал располагается внутри плазмосферы.
-
Получено, что узкие провалы ионизации в области F, обусловленные развитием явления быстрых субавроральных ионных дрейфов, располагаются вблизи, но экваториальнее полярной стенки главного провала, что приводит к дополнительному углублению провала вблизи его полярной стенки (явление "провала в провале").
-
Построена эмпирическая модель конвекции плазмы области F на широтах субавроральной зоны, применимая для математического моделирования структуры высокоширотной ионосферы.
-
Впервые экспериментально зарегистрированы разворот направле ния и увеличение модуля скорости дрейфа ионизации области F на полярной кромке главного провала ионизации. Это явление позволяет отождествить область полярной стенки ГИП с границей крупномасштабной магнитосферной конвекции в околополуночном и утреннем секторах.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на Ассамблеях МАГА (Париж, 1975; Гамбург, 1983; Прага, 1985; Ванкувер, 1987); на Международных'семинарах в рамках КАПГ по энергетике верхней атмосферы и физическим процессам в области главного провала (Прага, 1983; Шопрон. 1985; Гарцау, 1988; Самарканд, 1989); на Международном симпозиуме по результатам проекта "Аркад-3" (Тулуза, Франция, 1984); на Международном симпозиуме "Полярные геомагнитные явления " (Суздаль, 1986); на Всесоюзных совещаниях по динамическим процессам в верхней атмосфере Земли (Обнинск, 1979, 1983, 1985); на 3-м Всесоюзном совещании по полярной ионосфере и магнитосферно-ионосферным связям (Мурманск, 1984); на Всесоюзном совещании по крупномасштабной структуре субавроральной ионосферы (Якутск, 1981); на
Всесоюзных совещаниях по полярной ионосфере и геофизическим явлениям в авроральной зоне (Норильск, 1980, 1988); на Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Иркутск. 1972; Казань, 1975; Алма-Ата, 1987); на Всесоюзном совещании по физике субавро-ральной ионосферы (Архангельск, 1987); на Апатитских семинарах "Физика авроральных явлений" (Апатиты. 1986. 1987); на Всесоюзном совещании "Проблемы физики верхней атмосферы Земли и динамика ИСЗ" (Якутск. 1987); на рабочих семинарах ИЗМИРАН "Полярные геомагнитные исследования" (Троицк, 1987, 1988); на научных семинарах в ИКИ АН СССР, ИЗМИРАН, ААНИИ, ИСЗФ, ПГИ, ИКФИА ЯНЦ СО РАН, ЯГУ.
Личный вклад автора определяется тем.что во всех результатах экспериментальных исследований автор участвовал в постановке задачи, в экспедиционных измерениях, в обработке и анализе данных, а также в интерпретации результатов наблюдений. Под его научным руководством и личном участии были созданы установки и проведены наблюдения методом Д1 на Якутской меридиональной цепочке станций. Результаты по исследованию плазмопаузы, сопоставлению плазменных границ во внутренней магнитосфере и индекса геомагнитной активности в виде ГДВ получены совместно с В. Л. Халиповьм. Результаты экспериментальных исследований характеристик узких провалов ионизации получены совместно с аспирантом Д. Д.Решетниковым.
Обьен работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Она содержит 241 страницу машинописного текста, '34 рисунка, 5 таблиц. Список литературы включает 264 наименования.