ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 76-79
УДК 551.388.2
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛАСТИ D ИОНОСФЕРЫ МЕТОДАМИ ЧАСТИЧНЫХ ОТРАЖЕНИЙ И РАССЕЯНИЯ РАДИОВОЛН НА ИСКУССТВЕННЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ
© 2007 г. В. В. Беликович, В. Д. Вяхирев, Е. Е. Калинина
Научно-исследовательский радиофизический институт, Н. Новгород e-mail: belik@nirfi .sci-nnov.ru Поступила в редакцию 13.12.2005 г.
Приведены результаты исследования .D-области ионосферы в весенний период 2004 и 2005 гг. методами частичных отражений и рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях. Найдено, что в этот период высотный профиль электронной концентрации имеет локальный минимум на высоте ~75 км, который отсутствует в летнее время. Обсуждаются причины появления минимума.
PACS: 94.20.de; 94.20.Tt
1. ВВЕДЕНИЕ
В-область ионосферы до сих пор остается наименее изученной частью ионосферы. Трудности ее изучения обусловлены относительно низким электронным содержанием (менее 104 эл/см3) и сложностью процессов, определяющих вариации последней. Наиболее эффективным методом исследования В-области ионосферы является метод частичных отражений [Ве1го8е, 1970; Рапопорт, 1972; Беликович и др., 2004]. При относительной простоте он позволяет получать систематические сведения о поведении электронной концентрации на высотах 70-90 км. В частности, во время последних исследований, проведенных в НИРФИ методом частичных отражений, было установлено, что летом высотный профиль электронной концентрации Щ(И) монотонен и близок к экспоненциальной зависимости, а его изменение в течение дня пропорционально косинусу зенитного угла Солнца [Беликович и др., 2004]. В совместной работе НИРФИ и ПГИ КНЦ РАН [Беликович и др., 2006] было найдено, что во время хромо-сферной вспышки на Солнце электронная концентрация на высотах 60-70 км растет пропорционально потоку рентгеновского излучения. Это свидетельствует о линейном законе рекомбинации в области В. Там же указано, что гипотеза о рекомбинации на аэрозолях или метеорной пыли может объяснить линейный закон рекомбинации.
В НИРФИ также был предложен, разработан и опробован метод исследования ионосферы с помощью искусственных периодических неодно-родностей (ИПН) [Беликович и др., 1999а]. В работах [Беликович и др., 19996; Беликович и др., 2000] было показано, что в области В ИПН образуются вследствие температурной зависимости коэффициента прилипания электронов к молекулам кислорода при тройных соударениях. Харак-
терное время образования и релаксации ИПН т определяется величиной т = 1/(в + у), где в - скорость прилипания электронов, а у - скорость отлипания электронов от отрицательных ионов кислорода. Скорость отлипания, в свою очередь, определяется фитоотлипанием и реакциями с атомным кислородом и возбужденными молекулами кислорода в состоянии 1А^. В первом приближении форма высотного профиля амплитуды сигнала, рассеянного ИПН, определяется выражением [Беликович и др., 19996]
А (ИЩ( И )р( И) / {р( И) + у( И)}. (1)
Этим методом были исследованы восходные и заходные процессы в летней среднеширотной ионосфере [Беликович и Бенедиктов, 2002]. Было подтверждено наличие "ступенчатого" роста ионизации на восходе Солнца при зенитных углах 94-95°. Локализована высота этой "ступеньки" (менее 65 км). Высказано предположение, что отлипание на этой высоте обусловлено излучением Солнца с длиной волны X = 220-280 нм. В связи с этим представляют интерес исследования В-об-ласти, проведенные весной 2004 и 2005 гг. с помощью двух вышеупомянутых методов.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИПН
Исследования с помощью ИПН проведены на стенде "СУРА" 07.04.2004 г. с 12 до 18 ч московского летнего времени и 06.04.2005 г. с 10 до 16 ч. Методика измерений была стандартной. Она подробно изложена в работе [Беликович и Бенедиктов, 2002]. Напомним, что в 2004 г. нагрев и диагностика ИПН проводились на частоте 4.7 МГц, а в 2005 г. - на 5.6 МГц. В обоих случаях излучались радиоволны необыкновенной компоненты. Со-
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛАСТИ В ИОНОСФЕРЫ
77
здание ИПН осуществлялось циклически с периодом 20 с. При этом 3 с передатчики работали непрерывно, создавая ИПН, а затем 17 с излучали короткие импульсы длительностью 30 мкс с частотой повторения 50 Гц. Рассеянные сигналы регистрировались с шагом по высоте 1.4 км первые 3 с после выключения непрерывного режима. Результаты обоих экспериментов очень сходны.
На рис. 1 представлены высотные профили амплитуды сигналов, рассеянных ИПН в высотном интервале 60-150 км для 06.04.2005 г. Профили усреднены по 15-минутным интервалам и даны через каждые полчаса с 12 до 14 ч. Из рисунка видно, что рассеянные сигналы образуют две области: одна на высотах 65-90 км - это область В, другая на высотах 100-140 км - область Е. Эти области разделяет промежуток примерно в 10 км по высоте, где рассеянные сигналы весьма слабы и нерегулярны. Этот "провал" объясняется тем, что на этих высотах уже не действует механизм образования ИПН, обусловленный прилипанием электронов (вследствие значительной концентрации атомного кислорода здесь практически не образуются отрицательные ионы), а механизм диффузионного перераспределения плазмы, характерный для области Е, еще малоэффективен ввиду малого времени воздействия стоячей радиоволны (всего 3 с). На этом рисунке хорошо видно, что на высотах 72-75 км имеется заметное уменьшение амплитуды рассеянного сигнала. На этом же рисунке внизу приведены высотные профили времени релаксации неоднородностей т (усредненные за 30 мин). В В-области профили т монотонно возрастают до высоты 75-80 км, а затем монотонно убывают. Заметим, что профили т в целом не отличаются от измеренных в летнее время года [Беликович и др., 19996; Беликович и др., 2000]. Профили же амплитуды показывают наличие дополнительного минимума, который ранее не наблюдался. Согласно соотношению (1), наличие минимума в высотном профиле амплитуды может быть обусловлено или минимумом в Ы(к), или немонотонностью (3(Л) и у(Л). Измеренные профили т(к) = 1/[Р(Л) + у(^)] не показывают какого-либо провала или максимума на этих высотах, и, следовательно, минимум в профиле амплитуды должен быть обусловлен минимумом в профиле электронной концентрации. Данные 2004 г. также показывают наличие минимума на той же высоте. Повторение результатов эксперимента через год позволяет полагать, что этот эффект не случаен и обусловлен сезонными изменениями в области В.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОМ ЧАСТИЧНЫХ ОТРАЖЕНИЙ
Обнаружение минимума в А(Л)-профиле с помощью ИПН заставило искать этот минимум в
h, км а
Рис. 1. Высотные профили амплитуды сигнала, рассеянного на ИПН (а), и время релаксации ИПН (•) 06.04.2005 г. Профили усреднены по 15-минутным интервалам и даны через полчаса с 12 до 14 ч летнего московского времени.
измерениях, проведенных методом частичных отражений. Измерения методом частичных отражений были проведены в том же пункте и в тот же период с 31 марта по 4 апреля 2004 г. и с 29 марта по 2 апреля 2005 г. Измерения проведены на частоте 2.95 МГц при длительности зондирующего импульса 13 мкс и частоте повторения импульсов 5 Гц. Подробнее об установке частичных отражений НИРФИ и методике обработки данных смотри работу [Беликович и др., 2004].
Для примера на рис. 2 приведено высотно-вре-менное поведение логарифма электронной концентрации для 30.03.2005 г. Данные усреднены по 30-минутному временному интервалу. Из рисунка хорошо видно, что нижняя граница электронной концентрации с величиной 100 эл/см3 достигает
78
БЕЛИКОВИЧ и др.
к, км 90
88
86
84
82
80
78
76
74
72
708
к, км 90
88
86
84
80 78
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
18
и ч
107 N, см-3
Рис. 2. Вверху (а) высотно-временное распределение логарифма электронной концентрации 30.03.2005 г., найденное методом частичных отражений. Внизу (б) профили электронной концентрации, усредненные по 30-минутным интервалам с 10 ч 30 мин по 14 ч 30 мин за тот же день.
минимума в околополуденные часы и подымается утром и вечером. Светлые пятна на высотах 85-95 км не следует принимать во внимание, поскольку они обусловлены низким уровнем сигнала на необыкновенной компоненте, сопостави-
мым с уровнем шумов. Из рисунка также понятно, что искать минимум на высоте 75 км можно только в околополуденные часы, когда измеряемая часть ^(й)-профиля опускается ниже 70 км. На рис. 2 представлены околополуденные М(Л)-про-
а
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛАСТИ D ИОНОСФЕРЫ
79
фили для того же дня (усредненные по 30 мин). Как видно из рисунка, многие высотные профили тоже имеют минимум на высотах 73-77 км. Однако этот минимум наблюдается не всегда, и, кроме того, на профилях часто наблюдаются минимумы на других высотах. Происхождение этих минимумов скорее всего связано с неравномерным распределением неоднородностей по высоте [Беликович и др., 2001]. Таким образом, данные частичных отражений не противоречат исследованиям с помощью ИПН, однако они не позволяют уточнить их. Следует также напомнить, что в работе [Беликович и др., 2003], где сравнивались осенние измерения методом частичных отражений в Туманном (Мурманская обл.) и Васильсурске (Нижегородская обл.), найден минимум в полярном ^(й)-профиле на высоте 77-79 км.
4. ДИСКУССИЯ
Приведенные экспериментальные данные показывают, что весной, а на авроральных широтах и осенью, наблюдается минимум в высотном профиле электронной концентрации на высотах 7578 км. Рассмотрим возможные причины, порождающие этот минимум. Поскольку в равновесных условиях N = (Q/y)05 или, если принять линейный закон рекомбинации N = Q/y, то за минимум может быть ответственна или функция ионообразо-вания Q(h), или коэффициент потерь y(h). Расчеты функции ионообразования (для зенитного угла Солнца % = 75° смотри, например, [Friedrich et al., 1998]) показывают наличие минимума на высоте порядка 70 км, где ионизация окиси азота солнечным излучением в линии La сравнивается с ионизацией космическими лучами основных компонент воздуха. Поскольку положение минимума зависит от взятой в расчет концентрации окиси азота, то при более низкой концентрации эта высота должна у
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.