ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 147-162
УДК 550.385+532.526
ДИНАМИКА И ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ СРЕДНЕШИРОТНОЙ Е ОБЛАСТИ (ОБЗОР)
© 2014 г. С. Л. Шалимов12
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва e-mail: pmsk7@mail.ru 2Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 14.12.2012 г. После доработки 15.04.2013 г.
Рассмотрены современные представления о формировании неоднородностей в плазме среднеши-ротной нижней ионосферы. Описаны экспериментальные и теоретические результаты, которые свидетельствуют о существовании анизотропных структур, развивающихся на высотах нижней ионосферы и обусловливающих появление сильных электрических полей, узких пиков радиоотражений, а также квазипериодических радиоотражений (регистрируемых посредством когерентных радаров). Проанализированы механизмы образования наблюдаемых неоднородностей и структур как в плазменной, так и в нейтральной компоненте нижней ионосферы.
DOI: 10.7868/S0016794014020175
1. ВВЕДЕНИЕ
Механизмы формирования дневной ионосферы средних широт в области Е (на высотах 90—115 км) представляются простыми и хорошо изученными [Деминов, 2008]. До недавнего времени такой же вывод мог показаться естественным и по отношению к имеющим место там же динамическим процессам. Действительно, из-за удаленности среднеширотной ионосферы от аврорального и экваториального электроджетов, где наиболее интенсивно проявляется диссипация геомагнитных возмущений, в ней можно было ожидать отклик на эти процессы в виде достаточно крупномасштабных вариаций ионосферных параметров. Соответственно, сильные электрические поля, резкие градиенты плотности плазмы (и обусловленные ими плазменные неустойчивости, приводящие к образованию мелкомасштабных ионосферных неоднородностей) также считали атрибутом электроджетов, но не среднеширот-ной ионосферы. Применение современных измерительных устройств (когерентных и некогерентных радаров, лидаров) для исследования ионосферы на средних широтах привели к пересмотру прежних представлений. Спорадические слои Е, которым много лет отводили роль лишь трассеров нейтральных движений на ионосферных высотах [Whitehead, 1989], неожиданно оказались в центре внимания, как активные образования, определяющие динамику и электродинамику нижней ионосферы, ее связь с областью F. Благодаря наблюдениям за процессами в спорадических слоях, осуществляемым посредством новой экспериментальной техники, выяснилось,
что в среднеширотной нижней ионосфере также возможны плазменные процессы, которые ранее считали атрибутом электроджетов, причем роли, которые играют здесь электрические поля и движения в нейтральной компоненте ионосферы, оказались сопоставимыми. Ниже будут представлены результаты, которые получены в исследованиях динамики и электродинамики нижней ионосферы средних широт на сегодняшний день.
2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
На рисунке 1 показан изменяющийся во времени профиль электронной концентрации, измеренный посредством некогерентного радара в Аресибо (Пуэрто-Рико) [Ш§§т е! а1., 1986]. Хорошо видно, как образуется ночной спорадический слой Е: сначала на высоте ~180 км (долина /-области) формируется так называемый промежуточный слой, который удерживается от диффузионного расплывания за счет шира в меридиональной компоненте термического прилива и постепенно снижается (с фазовой скоростью прилива) до высоты~130 км, где диффузионному расплыванию слоя противодействует уже шир зональной компоненты ветра. К этому времени ионы N0+ и 0+ в слое рекомбинируют, так что на высотах Е области ионосферы оказываются только ионы металлов, составляющие спорадический слой Е (Е) толщиной ~1 км.
Момент интенсификации слоя & на рис. 1 (в 21:50 ЬТ), который ассоциируется с максимумом зональной компоненты ветра, отмечен, с одной стороны, скачкообразным уменьшением элек-
LT, ч
22:00
21:00-
20:00
18:00
Ne, см-
-I 106
- 105
90
160
230
104
300 H, км
Рис. 1. Последовательность профилей электронной концентрации, измеренная некогерентным радаром в Аресибо 07.05.1983 г. [Шдал ег а1., 1986].
тронной концентрации в области F, с другой, как показывают измерения посредством когерентного радара для того же события (рис. 2), — развитием нестабильности слоя Е вскоре после его формирования, что проявляется в квазипериодических вариациях доплеровского сдвига частоты радара. Доплеровская скорость варьировалась от почти звуковой до 30 м/с (аналогично наблюдаемым в авроральном и экваториальном электрод-жетах радиоотражениям 1-го и 2-го типа) и была обусловлена движением мелкомасштабных (в соответствии с частотой когерентного радара) ионосферных неоднородностей к радару или от него под действием ветра или дрейфа Е х В. В последнем случае поле должно было иметь меридиональную компоненту, поскольку радар находился в Санта-Кру (к востоку от Пуэрто-Рико).
Напомним, что спектры радиоотражений 1-го типа — узкие, с пиками фазовой скорости, локали-
зованными чуть выше ионно-звуковой скорости плазмы cS = Te + '/]■)/m, т.е. от 300 до 600 м/с на высотах аврорального электроджета [Haldoupis, 1989; Kelley, 2009]. Развитие этих неоднородно-стей связывают с неустойчивостью Фали-Буне-мана (ФБ) [Farley, 1963; Buneman, 1963]. Спектры 2-го типа сравнительно широкие, с пиком на низких скоростях (вплоть до нуля). Тип 1 отличается от типа 2 также тем, что наблюдается в относительно узком азимутальном секторе углов 0 = = arccos(Vdk)), где Vd — скорость дрейфа плазмы электроджета. В то же время тип 2 демонстрирует изотропию по углу 0. Развитие неоднородностей типа 2 связывают с градиентно-дрейфовой неустойчивостью [Simon, 1963; Kelley, 2009], причем уширение спектров радиоотражений обычно интерпретируют в терминах каскадного процесса для развитой турбулентности [Sudan, 1983].
Позднее было подтверждено, что наблюдаемые иногда на средних широтах радиоотражения 1-го типа, действительно распространяются со скоростью, близкой к звуковой (но чуть ниже), и если их движение обусловлено Е х В дрейфом, то электрические поля в структурах должны иметь компоненты (меридиональные или зональные) [Haldoupis and Schlegel, 1993], сравнимые с наблюдаемыми в электроджетах. Пониженные величины звуковой скорости на средних широтах объяснялись достаточно высоким содержанием ионов металла на высотах слоя Е.
Таким образом, доплеровские спектры мелкомасштабных неоднородностей свидетельствовали о наличии своеобразных "среднеширотных электроджетов". Между тем известно, что авро-ральный и особенно экваториальный электрод-жет обусловлены специфической геометрией магнитного поля, которая на средних широтах отсутствует. Большое внимание исследователей привлекла также квазипериодичность радиоотражений (QP echoes), поскольку это указывало на существование неизвестных крупномасштабных плазменных структур (для которых мелкомасштабные неоднородности служат трассером) в средне-широтной Е области ионосферы [Yamamoto et al., 1991; Huang et al., 1995; Fukao et al., 1998; Chau and Woodman, 1999], причем необходимым (но не достаточным, см., например, [Haldoupis and Schlegel, 1993; Schlegel and Haldoupis, 1994; Hussey et al., 1998]) условием было присутствие слоя Es.
Результаты регистрации QP радиоэха удобно представлять в виде диаграммы RT (range—time, дальность—время, пример показан на рис. 3 [Choudhary et al., 2005]). Если учесть, что рассеяние имеет высокую ракурсную чувствительность (aspect sensitivity), т.е. в данном случае основной вклад в отраженный сигнал приходит от направления перпендикулярного силовой линии геомагнитного поля, то можно интерпретировать движение структур как дрейф на фиксированной высоте областей плотной плазмы мимо луча радара. Например, если структура вытянута в направлении СЗ—ЮВ, (северное полушарие) и дрейфует на запад, то получаем уменьшение дальности со временем, как на рисунке.
С помощью интерферометрических измерений была получена визуализация областей в ионосфере во время регистрации ОР радиоэха фис. 4, [Hysell et al., 2004; Larsen et al., 2007]). Как и предполагали, радиоэхо приходило от структур (расположенных в данном случае вблизи высоты 105 км), которые ассоциируются с уплотнениями плазмы в слоях Es и дрейфуют мимо регистрирующей радиосистемы. Очевидно, что структуры вытянуты в направлении СЗ—ЮВ (северное полушарие).
-300 -150 0 150 300 м/с
UT 22:06:00
22:07:00
22:08:00
22:09:00
22:10:00
22:11:00
22:12:00
22:13:00
22:14:00
Рис. 2. Доплеровские спектры, измеренные когерентным радаром для события, показанного на рис. 1 [Шяят е! а1., 1986]; по горизонтальной оси отложена доплеровская скорость.
Следует отметить, что из наблюдений ионосферы посредством ионозондов, начиная с 60-х годов прошлого века [Bowman, 1960; Sinno et al., 1964, 1965; Goodwin, 1966; Goodwin and Summers, 1970] было известно (но оставалось загадкой на протяжении десятков лет), что слои Es организованы в так называемые фронтальные структуры. Наблюдения показывают, что эти структуры вытянуты в определенном азимутальном направлении, а их дрейф, соответственно, имеет преимущественное направление — (перпендикулярно фронту структуры, см. рис. 5). Такие структуры могут следовать одна за другой с характерной длиной волны 10—40 км [Goodwin and Summers, 1970]. В этом отношении они аналогичны квазипериодическим радиоотражениям от Е области ионосферы, которые регистрируют посредством когерентных радаров [Yamamoto et al., 1991; Haldoupis et al., 2003a; Hysell et al., 2004].
Наконец, в более общем контексте интерес к происхождению крупномасштабных структур в ионосфере, ориентированных определенным образом, связан с исследованиями взаимодействия
Гаданки, 13.06.2001
10
8
6
4
2
03:17 03:30 03:43 03:56 04:09 04:22 04:35 04:48 05:02
Время (IST)
Рис. 3. Квазипериодические радиоотражения, измеренные когерентным радаром в Гаданки 12—13.06.2001 г. [Choudhary et al., 2005].
2002/07/01 23:29:47 UT
—- — ш
130
18.5-
ад л
а
н о л и
110
-JL III,.^—
100
90
>F ™ * %
18.0-
68.0
67.5
—67.0 Долгота, град
66.5
66.0
Рис. 4. Интерферометрическая картина, полученная из измерений когер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.