Численный анализ суточных вариаций нижней кромки ионосферы во время высыпания протонов
|
1. Введение 3
2. Физическая постановка задачи 5
2.1 Объект исследования 5
2.2 Исходные СДВ данные 5
2.3 Интенсивности потоков протонов 8
3. Вычислительная постановка задачи 8
3.1 Постановка задачи 8
3.2 Функция ослабления 9
3.3 Анализируемые параметры ионосферы: эффективная высота и коэффициент отражения первого ионосферного луча 10
3.4.1 Зависимость модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча от частоты 11
3.4.2 Линейная аппроксимация модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча 11
3.4.3 Линейная аппроксимация аргумента коэффициента отражения первого ионосферного луча 11
4. Самосогласованный алгоритм решения обратной СДВ задачи лучевым методом 12
5. Решение обратной СДВ задачи в условиях перехода день-ночь 14
5.1 Зависимость результатов вычислений от временного шага 14
5.2 Обсуждение результатов вычислений 28 сентября – 2 октября 18
5.3 Предварительное обсуждение результатов вычислений 3 октября – 6 октября 22
6. Сравнение динамики изменения электрических свойств ионосферы полученных по СДВ данным с геофизическими данными 23
7. Заключение 25
Благодарность 25
Литература 26
Приложение 1 27
Приложение 2 28
2. Физическая постановка задачи 5
2.1 Объект исследования 5
2.2 Исходные СДВ данные 5
2.3 Интенсивности потоков протонов 8
3. Вычислительная постановка задачи 8
3.1 Постановка задачи 8
3.2 Функция ослабления 9
3.3 Анализируемые параметры ионосферы: эффективная высота и коэффициент отражения первого ионосферного луча 10
3.4.1 Зависимость модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча от частоты 11
3.4.2 Линейная аппроксимация модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча 11
3.4.3 Линейная аппроксимация аргумента коэффициента отражения первого ионосферного луча 11
4. Самосогласованный алгоритм решения обратной СДВ задачи лучевым методом 12
5. Решение обратной СДВ задачи в условиях перехода день-ночь 14
5.1 Зависимость результатов вычислений от временного шага 14
5.2 Обсуждение результатов вычислений 28 сентября – 2 октября 18
5.3 Предварительное обсуждение результатов вычислений 3 октября – 6 октября 22
6. Сравнение динамики изменения электрических свойств ионосферы полученных по СДВ данным с геофизическими данными 23
7. Заключение 25
Благодарность 25
Литература 26
Приложение 1 27
Приложение 2 28
За время использования радиофизиками СДВ диапазона накоплен огромный экспериментальный материал по суточным вариациям нижней кромки ионосферы. Для стационарных условий ионосферы таких как часы в окрестности полдня или полуночные часы существует тоже большое количество научной литературы по восстановлению электрической проводимости нижней ионосферы по экспериментальным СДВ данным. Для переходных условий день-ночь решение такой обратной задачи присутствует в небольшом числе научных источников. Что касается полярной области, и особенно в условиях геофизической возмущенности ионосферы, то ситуация характеризуется всего несколькими публикациями.
Результаты работ [1,2]показывают, что в условиях Антарктиды оказывается возможным осуществить импульсное зондирование нижней ионосферы в СДВ диапазоне. Зондирование проводилось импульсами с частотой заполнения от 3 до 30 кГц с шагом 0,1 кГц и длительностью импульсов 300 мкс. В результате радиозондирования оказалось, что зависимость разности фаз от частоты в указанном диапазоне с хорошей точностью линейна. Максимальная и минимальная виртуальная высота [1] получились равной 96,6 и 61,1 км ночью и днем соответственно. Во время поглощения поляной шапкой (то есть в случае высыпания протонов) 2 сентября 1966 г. эта высота уменьшилась до 55 км. Результаты измерений указали на связь между виртуальной высотой [2] и значением K_p индекса. А также профиль виртуальной высоты [2] в период с 25 сентября 1969 г. по 29 сентября 1969 г. демонстрирует убедительную корреляцию с потоком солнечных протонов с энергией > 10 МэВ (
Рис.1. Виртуальная высота для СДВ на станции Берд (а) и поток солнечных протонов (Е > 10 МэВ), регистрировавшихся на ИС3 “Эксплорер-41” [2] (б).
В работе [3] на основе численного анализа вариаций амплитуд и фаз трех монохроматических СДВ сигналов на закате Солнца были получены предзакатные и ночные значения модуля коэффициента отражения и эффективной высоты нижней ионосферы в спокойных и умеренно возмущенных условиях. В этой работе использовался самосогласованный метод решения обратной СДВ задачи. Указанным путем выполнен анализ 18 реализаций в условиях перехода день-ночь в 1974 г. для трассы Алдра – Апатиты. Из результатов анализа были сделаны следующие выводы:
-модуль коэффициента отражения в среднем возрастает на закате
-эффективная высота (а, следовательно, и высота всего слоя с электронной концентрацией в несколько сотен эл⁄〖см〗^3 ) в предзакатный час65,3±1,8 км, а ночью в спокойных и умеренно возмущенных условиях соответственно 76,5±2,0 км и 71,5±1,5 км, что на 5 и 10 км меньше чем в средних широтах.
На основе расчетных и экспериментальных измерений амплитуды и фазы СДВ сигналов на авроральной радиотрассе Алдра (Норвегия) – Апатиты (Россия) рассмотрены суточные изменения эффективной электронной концентрации нижней ионосферы в спокойных условиях [4]. В работе было показано, что перестройка нижнего слоя ионосферы (60 – 90 км) длится в основном~ 4 часа после захода солнца, далее наблюдается слабое повышение отражающего СДВ сигнал слоя ионосферы с эффективной электронной концентрацией N ~ 20 〖см〗^3.
Как было показано в работе [8], слабые и умеренные вспышки на Солнце, оказывают гораздо меньшее влияние на СДВ при распространении в высоких широтах, чем в средних и низких. Сильные же вспышки приводят к столь существенной перестройке освещенной части ионосферы, что даже в полярных областях влияние на распространение СВД оказывается существенным. Не смотря на сильное внезапное изменение фазы на высокоширотных СДВ трассах 10÷15 мкс , суммарная длительность аномальных явлений мала и составляет менее нескольких часов в год. Поэтому по сравнению с авроральными возмущениями и вторжениями солнечных протонов, которые являются гораздо более частыми и интенсивными явлениями, влиянием вспышек ответственных за явления ВИВ на высокоширотной СДВ радиотрассе можно пренебречь. [Белоглазов, Забавина, 1982 г., Геомагнитизм и аэрономия, вып. 4 и 5]
В работе [9] был использован самосогласованный СДВ метод решения обратной задачи и показано, что он может быть применен в том случае, когда вклад второго ионосферного луча существенный (средняя зона источника). Метод был использован для исследования электрических свойств нижней кромки ионосферы во время последовательных вторжения ультра-энергичных релятивистских электронов, внезапного ионосферного возмущения (ВИВ) и поглощения в полярной шапке (ППШ) 29 сентября 1989 г. Электрические свойства исследовались в терминах эффективной высоты и модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча. Во время максимума высыпания эффективная высота опустилась с 64до 48-49 км. Эта указанная работа нам интересна тем, что в ней обсуждается влияние протонного высыпания на нижнюю кромку ионосферы. Но осуждение касается только начала высыпания и не касается последующих суток. В нашей работе будут обсуждены последующие сутки, чтобы узнать сколько суток продлился наблюдаемый радиофизический эффект и соотносится ли его продолжительность с продолжительностью протонного высыпания.
Целью нашей работы является нахождение динамики электрических свойств нижней кромки авроральногоD-слоя ионосферы упомянутым самосогласованным СДВ методом при изменении условий освещенности ионосферы (переход день-ночь) в условиях многосуточных высыпаний протонов, начавшихся 29 сентября 1989 г. Это возмущение является одним из самых мощных возмущений этого типа за все время наблюдений, после известного события 23 февраля 1956 г., которое имело наибольшую интенсивность потока релятивистских протонов.
Результаты работ [1,2]показывают, что в условиях Антарктиды оказывается возможным осуществить импульсное зондирование нижней ионосферы в СДВ диапазоне. Зондирование проводилось импульсами с частотой заполнения от 3 до 30 кГц с шагом 0,1 кГц и длительностью импульсов 300 мкс. В результате радиозондирования оказалось, что зависимость разности фаз от частоты в указанном диапазоне с хорошей точностью линейна. Максимальная и минимальная виртуальная высота [1] получились равной 96,6 и 61,1 км ночью и днем соответственно. Во время поглощения поляной шапкой (то есть в случае высыпания протонов) 2 сентября 1966 г. эта высота уменьшилась до 55 км. Результаты измерений указали на связь между виртуальной высотой [2] и значением K_p индекса. А также профиль виртуальной высоты [2] в период с 25 сентября 1969 г. по 29 сентября 1969 г. демонстрирует убедительную корреляцию с потоком солнечных протонов с энергией > 10 МэВ (
Рис.1. Виртуальная высота для СДВ на станции Берд (а) и поток солнечных протонов (Е > 10 МэВ), регистрировавшихся на ИС3 “Эксплорер-41” [2] (б).
В работе [3] на основе численного анализа вариаций амплитуд и фаз трех монохроматических СДВ сигналов на закате Солнца были получены предзакатные и ночные значения модуля коэффициента отражения и эффективной высоты нижней ионосферы в спокойных и умеренно возмущенных условиях. В этой работе использовался самосогласованный метод решения обратной СДВ задачи. Указанным путем выполнен анализ 18 реализаций в условиях перехода день-ночь в 1974 г. для трассы Алдра – Апатиты. Из результатов анализа были сделаны следующие выводы:
-модуль коэффициента отражения в среднем возрастает на закате
-эффективная высота (а, следовательно, и высота всего слоя с электронной концентрацией в несколько сотен эл⁄〖см〗^3 ) в предзакатный час65,3±1,8 км, а ночью в спокойных и умеренно возмущенных условиях соответственно 76,5±2,0 км и 71,5±1,5 км, что на 5 и 10 км меньше чем в средних широтах.
На основе расчетных и экспериментальных измерений амплитуды и фазы СДВ сигналов на авроральной радиотрассе Алдра (Норвегия) – Апатиты (Россия) рассмотрены суточные изменения эффективной электронной концентрации нижней ионосферы в спокойных условиях [4]. В работе было показано, что перестройка нижнего слоя ионосферы (60 – 90 км) длится в основном~ 4 часа после захода солнца, далее наблюдается слабое повышение отражающего СДВ сигнал слоя ионосферы с эффективной электронной концентрацией N ~ 20 〖см〗^3.
Как было показано в работе [8], слабые и умеренные вспышки на Солнце, оказывают гораздо меньшее влияние на СДВ при распространении в высоких широтах, чем в средних и низких. Сильные же вспышки приводят к столь существенной перестройке освещенной части ионосферы, что даже в полярных областях влияние на распространение СВД оказывается существенным. Не смотря на сильное внезапное изменение фазы на высокоширотных СДВ трассах 10÷15 мкс , суммарная длительность аномальных явлений мала и составляет менее нескольких часов в год. Поэтому по сравнению с авроральными возмущениями и вторжениями солнечных протонов, которые являются гораздо более частыми и интенсивными явлениями, влиянием вспышек ответственных за явления ВИВ на высокоширотной СДВ радиотрассе можно пренебречь. [Белоглазов, Забавина, 1982 г., Геомагнитизм и аэрономия, вып. 4 и 5]
В работе [9] был использован самосогласованный СДВ метод решения обратной задачи и показано, что он может быть применен в том случае, когда вклад второго ионосферного луча существенный (средняя зона источника). Метод был использован для исследования электрических свойств нижней кромки ионосферы во время последовательных вторжения ультра-энергичных релятивистских электронов, внезапного ионосферного возмущения (ВИВ) и поглощения в полярной шапке (ППШ) 29 сентября 1989 г. Электрические свойства исследовались в терминах эффективной высоты и модуля коэффициента отражения первого ионосферного луча. Во время максимума высыпания эффективная высота опустилась с 64до 48-49 км. Эта указанная работа нам интересна тем, что в ней обсуждается влияние протонного высыпания на нижнюю кромку ионосферы. Но осуждение касается только начала высыпания и не касается последующих суток. В нашей работе будут обсуждены последующие сутки, чтобы узнать сколько суток продлился наблюдаемый радиофизический эффект и соотносится ли его продолжительность с продолжительностью протонного высыпания.
Целью нашей работы является нахождение динамики электрических свойств нижней кромки авроральногоD-слоя ионосферы упомянутым самосогласованным СДВ методом при изменении условий освещенности ионосферы (переход день-ночь) в условиях многосуточных высыпаний протонов, начавшихся 29 сентября 1989 г. Это возмущение является одним из самых мощных возмущений этого типа за все время наблюдений, после известного события 23 февраля 1956 г., которое имело наибольшую интенсивность потока релятивистских протонов.
Можно сделать следующие выводы:
1. В спокойных геофизических условиях (28 сентября) эффективная высота hна авроральной трассе Северная Норвегия – Кольский полуостров менялась от 63 км днем до76 км ночью (перепад высот Δ = 13 км). При этом модуль коэффициента отражения первого ионосферного луча от ионосферыR изменился от 0,6 днем до 0,8 ночью. Во время высыпания протонов эффективная высота менялась от 47 км до 53 км (Δ = 6 км) в первые сутки после начала их высыпания (29 сентября), и изменилась от 54 км днем и 65 км ночью 2 октября (Δ = 11 км), когда потоп протонов сильно ослаб. Коэффициент отражения 29 и 30 сентября фактически не менялся и равнялся 0,8. В последующие сутки, когда согласно геофизическим данным поток протонов продолжал ослабевать эффективная высота менялась от 58 км до 71 км (Δ = 13 км) 4 октября и от 58 км до 77 км (Δ = 19 км) 5 октября.
2. Анализ 3октября нам представляется неудовлетворительным и он требует дополнительного анализа (например, с более мелким шагом).
3. Дата 6 октября интересна тем, что имело место повторное нарастание интенсивности потока протонов. По данным анализа в положительном направлении времени эффективная высота менялась от 57 км до 67 км (Δ = 10 км) и коэффициент отражения R менялся от 0,7 до 0,9. Результаты анализа этих же данных в обратном направлении времени оказались нефизическими (R> 1). В этом случае тоже требуется дополнительный анализ.
4. Вторжение протонов началось 29 сентября в 12 UT, т.е. до начала переходных условий освещенности на радиотрассе. Нами сделан вывод, что энергия протонов, которые определяют представленные результаты по вариациям электрической проводимости, не менее 30 МэВ днем и не менее 20 МэВ ночью. В спокойных условиях эти энергии составляют не менее 10 МэВ днем и не менее 3 МэВ ночью.
1. В спокойных геофизических условиях (28 сентября) эффективная высота hна авроральной трассе Северная Норвегия – Кольский полуостров менялась от 63 км днем до76 км ночью (перепад высот Δ = 13 км). При этом модуль коэффициента отражения первого ионосферного луча от ионосферыR изменился от 0,6 днем до 0,8 ночью. Во время высыпания протонов эффективная высота менялась от 47 км до 53 км (Δ = 6 км) в первые сутки после начала их высыпания (29 сентября), и изменилась от 54 км днем и 65 км ночью 2 октября (Δ = 11 км), когда потоп протонов сильно ослаб. Коэффициент отражения 29 и 30 сентября фактически не менялся и равнялся 0,8. В последующие сутки, когда согласно геофизическим данным поток протонов продолжал ослабевать эффективная высота менялась от 58 км до 71 км (Δ = 13 км) 4 октября и от 58 км до 77 км (Δ = 19 км) 5 октября.
2. Анализ 3октября нам представляется неудовлетворительным и он требует дополнительного анализа (например, с более мелким шагом).
3. Дата 6 октября интересна тем, что имело место повторное нарастание интенсивности потока протонов. По данным анализа в положительном направлении времени эффективная высота менялась от 57 км до 67 км (Δ = 10 км) и коэффициент отражения R менялся от 0,7 до 0,9. Результаты анализа этих же данных в обратном направлении времени оказались нефизическими (R> 1). В этом случае тоже требуется дополнительный анализ.
4. Вторжение протонов началось 29 сентября в 12 UT, т.е. до начала переходных условий освещенности на радиотрассе. Нами сделан вывод, что энергия протонов, которые определяют представленные результаты по вариациям электрической проводимости, не менее 30 МэВ днем и не менее 20 МэВ ночью. В спокойных условиях эти энергии составляют не менее 10 МэВ днем и не менее 3 МэВ ночью.