ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 3-12
УДК 551.594.6
НАУЧНОЕ НАСЛЕДИЕ Я.И. ЛИХТЕРА, ОДНОГО ИЗ ОСНОВОПОЛОЖНИКОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ОНЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ (К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ) © 2014 г. Ю. М. Михайлов, В. И Ларкина, Г. А. Михайлова
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН
(ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail:yumikh@izmiran.ru; larkina@izmiran.ru Поступила в редакцию 16.06.2013 г.
Приведены наиболее значимые, в том числе ранее не известные, результаты многолетних экспериментальных исследований сигналов и излучений в КНЧ- и ОНЧ-диапазонах в наземных и спутниковых наблюдениях. Показана возможность их использования для диагностики параметров и состояния приземной плазмы.
DOI: 10.7868/S001679401401009X
1. ВВЕДЕНИЕ
В 50-х годах прошлого века начались интенсивные исследования распространения электромагнитных волн в диапазоне частот 30 Гц—3 кГц (КНЧ, ELF) и 3-30 кГц (ОНЧ, VLF), с использованием в качестве их источника молниевые разряды, так называемые атмосферики и их "хвосты". Совокупность этих сигналов представляет собой атмосферные радиопомехи (АРП) системам радиосвязи в широком диапазоне частот, включая и ОНЧ-диапазон. Исследования атмосферных радиопомех были особенно актуальными в пятидесятых годах в связи с разработкой навигационных систем в ОНЧ-диапазоне, получивших позже название OMEGA. В нашей стране эти работы проводились при непосредственном участии Я.И. Лихтера.
С введением техники регистрации атмосфери-ков на магнитную ленту были обнаружены, кроме коротких атмосфериков, особого вида сигналы, воспринимаемые на слух как свисты понижающейся частоты, так называемые свистящие атмосферики (СА). Теоретическое объяснение особенностей их распространения было дано в классической работе Стори [Storey, 1953], в которой было доказано их распространение в ионизованных каналах вдоль геомагнитных силовых линий (дактах) и первые результаты диагностики параметров приземной плазмы с их помощью. Эта работа положила начало новому направлению в использовании СА для изучения физических свойств приземной плазмы сначала по результатам наземных наблюдений СА, а позже с использованием ИСЗ. Одним из основоположников этого направления в нашей стране стал Я.И. Лихтер, научная деятельность которого в ИЗМИРАН началась с ис-
следования атмосферных радиошумов. С началом космической эры было обнаружено много новых типов КНЧ- и ОНЧ-излучений дискретной и шумовой природы, были обнаружены новые физические явления, такие как неканализированное распространение СА, ионно-циклотронные СА, нелинейные эффекты сигналов наземных передатчиков и др. Исследованию этого широкого круга проблем и была посвящена многолетняя научная деятельность Я.И. Лихтера.
Ниже кратко представлены наиболее важные научные результаты Я.И. Лихтера, полученные им непосредственно и в творческом сотрудничестве как с отечественными, так и зарубежными коллегами, и внесшие большой вклад в развитие этого нового направления исследования физических свойств приземной плазмы с использованием КНЧ- ОНЧ-электромагнитных излучений.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ОНЧ-СИГНАЛОВ, НАБЛЮДАЕМЫХ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
2.1. Статистические свойства атмосфернъхрадиопомех. Целенаправленные исследования статистических свойств атмосферных радиопомех в нашей стране впервые были начаты в ИЗМИРАН в лаборатории Я.И. Лихтера. При его непосредственном участии были разработаны устройства для регистрации АРП и предложен метод оценки их статистических свойств [Лихтер, 1956]. Уже первые результаты измерений показали, что закон распределения их интенсивности имеет две компоненты: слабую, подчиняющуюся нормальному закону распределения, и более мощную им-
пульсную компоненту. Была предложена формула для аппроксимации экспериментально определяемых кривых распределения огибающей напряженности электрического поля [Лихтер, 1961а]. Сравнение с другими методами показало наилучшее ее соответствие экспериментальным данным. Разработанная в ИЗМИРАН аппаратура [Лихтер и др., 1962] и методы анализа данных АРП были успешно применены на сети станций СССР для регистрации АРП в рамках Международного геофизического года (с 1 июля 1957 г.) [Лихтер, 19616], а также на судах для определения пространственного распределения АРП над Атлантическим и Тихим океанами.
2.2. Свистящие атмосферики и параметры плазмосферных каналов. При определенных углах волновых нормалей электромагнитного поля относительно вектора геомагнитного поля обычный атмосферик может "захватиться" неоднородностью электронной концентрации вдоль геомагнитной силовой линии и распространяться в этом канале (дакте) в противоположное полушарие, преобразуясь в свистящий атмосферик. Такие сигналы способны многократно отражаться в пределах плазмосферы из одного полушария в другое и обратно, образуя цепочку эхо, и регистрироваться как на земной поверхности, так и на ИСЗ. В качестве иллюстрации на рис. 1 схематично приведены различные спектрограммы (соно-граммы) СА, представляющие собой зависимость времени группового запаздывания его спектральных компонент от частоты.
Согласно теории распространения ОНЧ-элек-тромагнитных волн в плазменных волноводных каналах повышенной концентрации, время группового запаздывания Т(/) на частоте/вдоль лучевой траектории Я определяется через групповую скорость следующим образом [Не1^е11, 1965]:
Т(/> = ¡йЯ/ V гр.
(1)
Подставляя известное выражение для групповой скорости и предполагая распространение волны вдоль силовой линии дипольного геомагнитного поля, получаем аппроксимирующую формулу, описывающую форму экспериментальной соно-граммы:
Т/ > = 27 I
/оеЕйЯ
(е - />3/2'
(2)
где /0е — плазменная частота электронов; Ее — ги-рочастота электронов вдоль траектории Я; с — константа. Как следует из формулы (2), величина Т(/) неограниченно возрастает при / ^ 0 и / ^ Ее/2. Следовательно, на кривой Т(/) должна существовать промежуточная частота/п, соответствующая минимальной величине времени группового за-
паздывания относительно источника Тп. Это так называемая "носовая частота". Особенности траектории распространения и величины Ге на больших высотах в плазмосфере и теоретические оценки Т(/) по формуле (2) показали, что /п определяется не распределением Ме(Я), а локальным
дт-0
значением Nе в апогее траектории сигнала и пропорциональна минимальной гирочастоте электронов вдоль траектории СА, т.е. /п = кЕ®, где к слабо зависит от модели Ме(Я).
Параметр Ь-оболочки для дипольного геомагнитного поля связан с Е® соотношением Ь = (8.86х х х105/Е®)1^ = Я °/я0 = 1/со82 ф0, где ф0 — геомагнитная широта основания силовой линии, пересекающая поверхность Земли; Я0 — радиус Земли; Я0 — экваториальный радиус траектории СА. Таким образом, по измеренной частоте /п можно оценить траекторию распространения СА. Данное упрощение позволило получить зависимости
Тп(/п> = (№х5//п>1/2 и №е = к0 /птЦ I.
Расчеты показали, что коэффициенты к и к0 слабо зависят от/п и выбранной модели Ме(Я). Отсутствие точных знаний о модели распределения Ме(Я) в период наблюдений СА вносит неопределенность в оценку Я0 ~ ±0.15Я0 и оценку №е с точностью до множителя ±2. Последовательность СА, генерируемых одним молниевым разрядом, но распространяющихся по разным траекториям, как видно на рис. 1, позволяет получить электронный профиль №е(Г>. Этот метод достаточно эффективен для высокоширотных СА, на спектрограмме которых можно оценить величины /п и Тп. Применяя описанную методику обработки многокомпонентных "носовых" СА с необычным поведением "носовой" частоты, впервые косвенным методом был получен профиль №е(Г> с резким градиентом й№е /й1, названный "коленом" [Не1^е11 е! а1., 1956]. Таким образом, по СА была обнаружена плазмопауза, положение которой в пространстве и перепад электронной плотности в апогее изменяется с развитием геомагнитной воз-мущенности. По оценкам, выполненным в период восстановительной фазы геомагнитной бури [Лихтер и Молчанов, 1969], положение плазмопа-узы изменилось на величину ~0.25Я0 с соответствующим перепадом электронной плотности
д№ в 3—5 раз по сравнению со спокойными геомагнитными условиями.
Регулярные наблюдения свистящих атмосфе-риков в нашей стране были начаты в лаборатории Я.И. Лихтера в рамках программы МГГ. Регистрация этих сигналов позволила описать некоторые морфологические особенности их спектров и ха-
Я
-1-1- -1-1- 10il-1-
0 1 2 т, c 0 1 2 т„, c 1 3 L
Рис. 1. Схематичное представление спектрограммы многокомпонентного высокоширотного свистящего атмосферика (а), соответствующая зависимость "носовой" частоты от времени групповой задержки (б) и профиль электронной концентрации в апогее траектории распространения сигналов (в).
рактер неоднородностеи электронной концентрации во внешней ионосфере [Лихтер и Соболев, 1971].
2.3. Свистящие атмосферики и электрические поля в плазмосфере. Метод оценки крупномасштабных электрических полей состоит в следующем. Тепловая плазма в скрещенных электрическом Е и геомагнитном В0 полях движется со скоростью V, равной
V = c[EB0]/B2
(3)
Если предположить, что каналы повышенной концентрации электронов, внутри которых распространяются СА, движутся вместе с окружающей плазмой, то по изменению положения траектории этих сигналов при известной величине B0 можно оценить квазипостоянное электрическое поле в экваториальной области плазмосферы. Так
как fn = 8.86 х 10W R( ) , то наблюдаемое изменение fn можно интерпретировать как изменение R0. Тогда из формулы (3) для дипольной модели геомагнитного поля следует: dR 7dt = -(cEw/BE )(Ro/R0)-3, где BE — геомагнитное поле на поверхности Земли; Ew — азимутальная компонента E, равная Ew = 2.07 х
х10-2 d(f2/3)/dt [Block and Carpenter, 1974]. В маг-нитоспокойное время скорость поперечного дрейфа L-оболочек ~ 0.1R0/ч [Carpenter, 1966], что соответствует Ew ~ 0.2 мВ/м на L ~ 3—4 [Соболев, 1973], во время суббурь — (0.1—1)R0/4 [Carpenter and Stone, 1967]. Точность оценки электрического поля по характеристикам СА связана, главным образом, с предположением относительно дипольной модели геомагнитного поля.
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.