ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 103-112
УДК 550.38+621.37
ЭФФЕКТ ГЕОМАГНИТНОЙ ОТСЕЧКИ КАК ДОКАЗАТЕЛЬСТВО КОРПУСКУЛЯРНОЙ ПРИРОДЫ АНОМАЛЬНЫХ СДВ-ВОЗМУЩЕНИЙ
© 2015 г. Г. Ф. Ременец1, М. И. Белоглазов2
1 Кафедра радиофизики физического факультета СПбГУ, г. С.-Петербург 2Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: g.remenets@spbu.ru Поступила в редакцию 25.03.2013 г.
После доработки 28.04.2014 г.
Доказан эффект геомагнитной отсечки по отношению к первичному ионизирующему потоку, который вызывал аномальные сверхдлинноволновые (СДВ) возмущения на полностью авроральной радиотрассе средней протяженности (~900 км). Аномальность проявлялась в качественном подобии вариаций амплитуд и вариаций фаз на всех 3-х рабочих частотах этой радиотрассы. Этого не должно быть при существенном вкладе в принимаемое поле 2-го ионосферного луча. Указанное подобие является пока единственным характерным признаком вторжения ультрарелятивистских электронов. Для доказательства эффекта геомагнитной отсечки проведено количественное сравнение СДВ-данных для авроральной и длинной частично авроральной радиотрасс с общей точкой приема сигналов (10—16 кГц) в авроральной зоне. База экспериментальных данных по возмущениям охватывает 6 лет в окрестности минимума солнечной активности (1982—1987 гг.). Проявление магнитной отсечки в указанных экспериментальных данных доказывает корпускулярную природу первичного ионизирующего потока. Этот поток генерирует тормозное рентгеновское излучение, которое порождает ионизированный спорадический Д-слой в средней авроральной атмосфере.
DOI: 10.7868/S0016794014060157
1. ВВЕДЕНИЕ
Многолетнее экспериментальное и теоретическое исследование аномальных сверхдлинноволновых (СДВ) вариаций радиосигналов на полностью авроральной наземной радиотрассе позволило обнаружить новое геофизическое явление [Ременец и Белоглазов, 1985; Remenets and Bel-oglazov, 1992, 1999, 2013; Remenets, 1997; Belogla-zov and Remenets, 2005; Ременец, 2001, 2005]. Оно не регистрируется традиционными геофизическими методами и не замечено до сих пор космической техникой измерений. К этому явлению, возможно, следует отнести впервые наблюдавшиеся сильные вариации фаз на этой же целиком освещенной Солнцем радиотрассе в спокойных геофизических условиях [Белоглазова и Белоглазов, 1982].
Суть обсуждаемого явления — вторжение в среднюю полярную атмосферу ультрарелятивистских электронов с энергиями ~100 МэВ и плотностями потока, достаточными для генерации мощного (аномального) потока тормозных рентгеновских лучей. Последние создавали спорадический Д-слой в средней и нижней атмосфере, изменение во времени которого проявлялось в аномальных вариациях амплитуд и фаз СДВ-сигналов, излучаемых наземными СДВ-радиостанциями, в полярной области. Сигналы СДВ реагировали на
появление Д-слоя специфически, а именно: из-за их аномального затухания 2-ой ионосферный луч не доходил до приемника, поэтому вариации амплитуд и вариации фаз сигналов из интервала частот 10—14 кГц для общей целиком авроральной радиотрассы длиной ~900 км были качественно подобны. Все аномальные возмущения, которые мы связываем с вторжением ультрарелятивистских электронов (ВУРЭ), характеризуются именно этим, и только по этому признаку они были отобраны из базы данных многолетних наблюдений всевозможных вариаций амплитуд и фаз.
Цель настоящей публикации в том, чтобы, представляя в работе параметры существенной части аномальных возмущений (из всех 137-ти событий за 6 лет непрерывных наблюдений), экспериментально обосновать наше утверждение о существовании экваториальной (южной) границы области высыпания ультрарелятивистских электронов. Ее существование доказывается наличием эффекта геомагнитной отсечки по широте. Если такая граница существует, то это, в свою очередь, доказывает корпускулярную первопричину аномальных СДВ-возмущений. Названная отсечка проявилась на радиотрассе, которая является частично авроральной и частично средне-широтной. Она в нашем случае была радиотрассой от станции GBR в Рагби (Великобритания,
рабочая частота/4 = 16 кГц) до приемника в г. Апатиты на Кольском п-ове и имела протяженность S2 = 2497 км. Станция GBR в 1988 г. сменила режим модуляции излучаемого сигнала, и дальнейшая регистрация фазы этого радиосигнала в г. Апатитах не имела места. Поэтому названное экспериментальное доказательство основывается на данных 1982-1987 гг.
На сегодняшний день указанные данные стали исключительными в том смысле, что с конца 80-х гг. прекратил свое существование единственный в полярной зоне радиомаяк в Алдре (северная Норвегия). К этому еще следует добавить, что нам не известны другие данные многолетних радиоизмерений на полностью авроральной радиотрассе. Предположив однородность такой радиотрассы в каждый момент времени возмущения, нам удалось решить обратную СДВ-задачу для серии возмущений указанного типа и доказать их аномальность в терминах электрических свойств ионизованной нижней и средней атмосферы. Публикация названных данных целесообразна также для дальнейшего исследования нового явления. Она позволит исследователям, которые проводили СДВ-из-мерения на трансполярных радиотрассах, или проводили прямые измерения электрической проводимости средней полярной атмосферы на аэростатах в указанные календарные даты, или изучали влияние явления ВУРЭ на концентрацию озона в последующие сутки, как, например, в работе [Roldugin et al., 2000], дополнить наши представления о явлении (путем решения соответствующих обратных СДВ-задач, в частности). Такая публикация также будет полезной для обоснования необходимости возобновления СДВ-измере-ний в полярной зоне с целью регистрации случаев ВУРЭ, оценки их длительности, пространственного масштаба, интенсивности и, возможно, солнечной активности. В случае возобновления таких наземных СДВ-измерений, которые интегральны в масштабе сотен и тысяч километров и которые непрерывны по времени (в отличие от спутниковых измерений в высоких широтах), откроются перспективы по синхронному экспериментальному изучению обсуждаемого геофизического явления с помощью измерений на аэростатах (тормозного рентгеновского излучения и электрической проводимости) и на космических аппаратах (плотности потоков УРЭ).
2. ОПИСАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНОМАЛЬНЫХ СДВ-ВОЗМУЩЕНИЙ
Все аномальные возмущения, рассматриваемые в данной работе, отобраны по признаку, который был указан выше, а именно: аномальные вариации фазы и вариации амплитуд СДВ-сигна-лов качественно подобны друг другу на всех ча-
стотах. И именно этот тип специфических СДВ-аномалий мы связываем с вторжением ультрарелятивистских электронов. Мониторинг этих электронов в ближнем космосе над полярными областями не ведется, и попытки зарегистрировать высыпания этих электронов в атмосферу не предпринимались. Поэтому приводимые ниже данные останутся исключительными в своем роде, пока не возобновятся (когда это будет, не известно) наземное СДВ-излучение в полярной области и аэростатные измерения электрической проводимости на больших высотах высоких широт. Эта проводимость контролируется, в частности, тормозными рентгеновскими лучами от ВУРЭ.
Для анализа была использована база данных по амплитудам и фазам СДВ-сигналов лишь за 6 указанных лет. Как и ранее [Ременец, 2001; Белоглазов и Ременец, 2009], мы подразделяем аномальные возмущения на мощные (МщВ), сильные (СиВ), умеренные (УмВ) и слабые по величине ослабления амплитуд СДВ-сигналов на радиотрассе средней протяженности (~900 км). Последний тип возмущений количественного интереса (с точки зрения решения обратной СДВ-за-дачи) не представляет. Напомним, что, как показал количественный анализ этих классов возмущений для полностью авроральной радиотрассы Ал-дра — Апатиты длиной S1 = 885 км и с рабочими частотами / = 10.2; 12.1; 13.6 кГц (i = 1, 2, 3), значения эффективной высоты h для этих типов возмущений находятся в окрестностях 30, 40 и 50 км соответственно [Remenets, 1997; Ременец, 2001; Beloglazov and Remenets, 2005]. Эффективной высотой мы называем такую высоту модельного сферического волновода с резкой верхней границей, при которой фазовый путь сигнала на заданной частоте равен этому же пути в реальном волноводе "земля—ионизованная атмосфера". При этом в модельном волноводе комплексный коэффициент отражения от верхней границы как функция угла падения волны на нее (в асимптотическом приближении) есть вещественная и отрицательная функция. Для скользящих углов падения волны, превышающих угол Брюстера, это допустимо. Одновременно с указанными рабочими частотами в Апатитах принимался сигнал от радиостанции GBR (Рагби, Великобритания), имеющей рабочую частоту f4 = 16 кГц и удаленную от приемника на расстояние S2 = 2497 км.
Сравнение между собой СДВ-характеристик для двух названных радиотрасс сильно упрощается благодаря регулярному поведению СДВ-ам-плитуд и фаз на обеих трассах во время всех аномальных возмущений в отличие от авроральных возмущений. Названная регулярность проявлялась 1) в приблизительно синхронном уменьшении амплитуд и фаз на обеих радиотрассах и 2) в
Аномальное сильное СДВ-возмущение от 3 декабря 1982 г. (копия данных самописца). Амплитуды А и фазы ф; на четырех частотах(г = 1, ... , 4) даны как функции всемирного времени иТ Амплитуды приведены в линейном масштабе в своих условных единицах, и каждая с ее нулевым значением на ее временной оси. Вариации фаз приведены в мкс. Динамический диапазон всех фазометров (ширина фазовых дорожек) — 20 мкс. Изменению фазовой кривой вверх на рисунке соответствует уменьшение фазы сигнала. Сигналы первых трех частот представляют авроральную трассу Ал-дра—Апатиты, а четвертая частота характеризует длинную частично авроральную радиотрассу Рагби—Апатиты.
одновременном (с точностью в несколько минут) достижении ими своих абсолютных или относительных (в случаях рекуррентных возмущений) минимумов. Пример такого аномального возмущения от 3 декабря 1982 г. приведен на рисунке. На нем дан результат сканирования фрагмента ленты самописца с названным возмущением. На ленте одновременно регис
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.