ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 634-638
УДК 551.388
ОКОЛОЗЕМНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ, ФОРМИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ МИРОВОГО ЭХА
© 2007 г. Г. С. Иванов-Холодный1, Ю. К. Калинин2, Н. П. Сергеенко1, Э. И. Шустов3, С. В. Абрамов2, В. Е. Горенко2
1Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк (Московская обл.)
e-mail: serg@izmiran.rssi.ru 2Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета, Москва 3Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи ОАО НПК НИИДАР, г. Москва
Поступила в редакцию 22.11.2005 г. После доработки 03.11.2006 г.
Мировые эхо (сигналы с задержкой 1-60 с), возникающие при радиозондировании в декаметровом диапазоне проводящих областей газовой оболочки Земли, рассматриваются в контексте возможного наличия в околоземном пространстве плазменных объектов, выполняющих функции линий задержки с малыми потерями и малыми искажениями. В качестве таких линий рассматриваются мак-ромасштабные неоднородности с пониженной локальной относительной концентрацией в ионосфере, магнитосфере и более далеких областях околоземного пространства. При этом предполагается, что распространение декаметровых радиосигналов происходит ортогонально к локальному градиенту концентрации электронов в макромасштабном плазменном образовании.
PACS: 94.20Bb; 94.20Vv
1. ИСХОДНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Интерес к мировым эхо (МЭ), т.е. сигналам радиозондирования в декаметровом диапазоне с задержкой 1-60 с проводящих областей газовой оболочки Земли, возникает апериодически с интервалами в несколько десятилетий. Первые публикации [Galle J.B., 1930; Galle J.B. et al., 1930] относятся примерно к концу первой трети прошлого века, когда были получены основные экспериментальные данные об этом явлении.
На рис. 1 представлены распределения задержек МЭ, полученных в Норвегии на частоте ~9.7 МГц в 1927-1928 гг. летом и глубокой осенью (фрагмент а) и полученных в 1934 г. там же (фрагмент б). Кроме того, были измерения в районе Сайгона в мае 1929 г., когда были зарегистрированы на частоте 20 МГц задержки МЭ до 40 с. Были и другие измерения. Отмечалось во всех случаях, что отраженные сигналы имели практически неискаженную форму.
В 1972 г. Я.Л. Альперт в своей известной монографии [Альперт, 1972] приводит (правда, без ссылок) результаты, представленные на рис. 1. В книге проводится краткий анализ гипотезы Штёрмера (1904 г.), согласно которой в окрестностях Земли образуется тороидальная поверхность из заряженных частиц, на которой может сформироваться линия задержки вдоль траектории с равной нулю диэлектрической проницаемостью среды, е = 0. Такая гипотеза отвергается на том основании, что в этом случае будет большое расплывание
формы сигналов МЭ. В 1992 г. в работе [Иванов-Холодный и Калинин, 1992] высказывалась (по-видимому, невпервые) гипотеза о том, что сигналы МЭ с задержкой 1-2 с могут быть сигналами многократных кругосветных эхо (КС). Недавно
Q, шт 6i-
4-
2-
12-
8-
20
40
т, c
Рис. 1. Распределение длительностей сигналов мирового эхо по наблюдениям в Норвегии: а - 1928 г.; б -1934 г., где "шт" - количество сеансов наблюдений.
4
была опубликована статья [Григорьев, 2002], где воспроизводятся данные работ [Galle J.B., 1930; Galle J.B. et al., 1930] и приводятся некоторые совсем ирреальные гипотезы о природе МЭ. Следует отметить, что сведения о более поздних публикациях экспериментальных данных о МЭ отсутствуют.
Целью работы является обсуждение гипотез о возможной структуре околоземных плазменных объектов, формирующих сигналы с большой задержкой.
2. НЕГОЛОМОРФНАЯ МОДЕЛЬ СИГНАЛОВ
В СОСТАВНЫХ ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ
В данной работе рассматриваются модельные представления о структурах, в которых формируется МЭ при линейном взаимодействии радиоволн со средой. Естественно, при этом большим задержкам МЭ ставятся в соответствие большие размеры структур, являющихся соответствующими линиями задержки. Ниже предлагается модельное описание структуры электромагнитной волны в протяженных линиях задержки, состоящих из нескольких различных частей, применяемое вдали от областей их стыковки. При переходе от одной части линии к другой структура волны будет меняться разрывно (в этом состоит неголоморфность). Предполагается, что можно ввести феноменологический коэффициент Kj для перехода от i-го участка к j-му. Применительно к земной волне такой подход был разработан Е.Л. Фейнбергом [Фейнберг, 1961]. В случае МЭ представляется естественным принятие в качестве первичной сферическую волну E Ее напряженность поля (В/м) выражается [Альперт, 1972] через дальность D от наземного источника (км), мощность излучателя P (кВт) и выигрыш передающей антенны G (разы)
E =
pr
0.3
JPG
D
(1)
EW =
Epr(D), 0 < D < D
12
Epr(D)K12El(D,%), DX1 < D < D2,.
(2)
Формула (2) дополняется (при необходимости) новыми строчками, соответствующими следующим участкам линии задержки. В формуле (2) величину В23 (координату конца соответствующего участка) следует определять дополнительно, как
и коэффициент трансформации К12. В формуле (2) предполагается, что В является продольной координатой всей системы, а ^ - поперечной. В соответствии с этим можно положить, что Еь (В, имеет мультипликативную структуру
El (D,%) = M( D) W( D) g (%).
(3)
Здесь М(В) - метрический множитель (в случае Ерг равный В-1), Ж(В) - множитель ослабления и g(£) - поперечный множитель. В формуле (3) возможно следующее упрощение - представления Ж(В) в экспоненциальном виде
W(D) = exp [-у(D - D12)],
(4)
где у - погонное затухание. Частный случай формулы (3) применительно к кругосветным сигналам имеет вид:
E = Epr( Dm)k
-Y(D - Dira)
/ • 2D 4¡ sin — + a
Г g (hD).
(5)
Главная компонента поля МЭ - величина Еш вплоть до некоторого расстояния В12 будет равна Ерг. На расстоянии В12 предположительно находится область трансформации первичной сферической волны Ерг в волну Еь внутри первой части линии задержки. То есть поле мирового эхо Еш на начальных участках траектории сигнала выражается неголоморфной функцией
Здесь ЯЕ = 6370 км - радиус Земли и Ерг (В12) -так называемое поле в вершине первого сигнала, где происходит трансформация первичной сферической волны в сумму двух волн - отраженной сферической волны и волны, распространяющейся под ионосферой, для которой она служит линией задержки. Корень четвертой степени в знаменателе при а = 10-4 представляет собой метрический множитель расходимости М(В) в сферической системе координат. Для однородной трассы (ей приближенно соответствует распространение волн вдоль линии терминатора) множитель g(hВ), называемый высотным (^ = h - высота над земной поверхностью), не зависит от дальности. Формула (5) подвергалась различным проверкам [Бры-лев и др., 1997; Акимов и др., 1999] напрямую - с помощью измерителей, установленных на геофизических ракетах, и косвенно - с использованием рассеивателей в виде плазменного следа ракеты. Так, было установлено, что величина К (соответствует определенному в общем случае К12) имеет порядок 0.3-1.0. По отношениям амплитуд кратных КС определялась величина погонного затухания (в других единицах), заключенная в пределах Г = 0.2-0.7 дБ/тыс. км. Величина Г может быть выражена также через электронную концентрацию N и число соударений Vк на оси канала распространения КС [Иванов-Холодный и Калинин, 1992; Гуревич и Цедилина, 1979]. Существенно, что скользящий волновой пакет, соответствующий КС, формируется в вершине первого скачка, где выполняется условие ортогональности направленного горизонтально волнового вектора к (ортогонального к эквифазе волны) и направленного перпендикулярно вектору градиента электронной концентрации среды grаdNe:
^т<Ме) = 0.
Случай КС интересен тем, что он приводит к эмпирически и теоретически обоснованной структуре поля, допускающий обобщение на случай более сложных линий задержки.
3. ГЕОМЕТРИЯ ИОНОСФЕРНЫХ И МАГНИТОСФЕРНЫХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ
Рассмотрим теперь геометрию различных образований в ионосфере и магнитосфере на предмет оценки запаздывания в этих природных линиях задержки. Прежде всего, надо подчеркнуть, что следует отказаться от обычной схемы многократных КС как модели МЭ с задержками 1-2 с. В работе [Иванов-Холодный и Калинин, 1992] предполагалось, что для применимости модели достаточно, чтобы величина Г уменьшилась на порядок по величине. По-видимому, многократные КС возможны только в случае, если на дневной стороне сигналы распространяются выше главного максимума области ионосферы [Альперт, 1972].
Оставляя в стороне вопрос о принципиальной геофизической возможности такого явления, подчеркнем, что на частотах менее 10 МГц никто и никогда вообще не наблюдал даже однократного КС. И все данные на рис. 1 остаются вне схемы многократного КС. Если такой механизм и возможен, то на гораздо более высоких частотах, более 15-20 МГц. Однако конкретные данные о МЭ на таких частотах отсутствуют, хотя в статье [Григорьев, 2002] имеется упоминание о наблюдении МЭ вплоть до частот порядка 30 МГц. Вместе с тем сле-
дует упомянуть о возможности наличия в ионосфере кратковременных (час-два) сейсмогенных мак-ромасштабных неоднородностей [Калинин и др., 2004]. В статье была представлена относительная вариация критической частоты 5/0^2, зарегистрированная на автоматической ионосферной ст. Дарвин (Австралия) после катастрофического землетрясения в Панаме (31.03.1991 г., М = 7). Вариация 5/о^2 превышает величину 50%, что, согласно [Калинин и др., 2001], может привести к расслоению области Ё2 и образованию двух минимумов Ые(И)-профиля выше и ниже главного максимума. На высоте верхнего минимума (где существенно ниже и N и V, чем в невозмущенном максимуме) возможно уменьшение Г на порядок по величине по сравнению с соотношением, приведенным в работе [Григорьев, 2002]. То есть над положительными сей-смогенными неоднородностями может образовываться отрицательная неоднородность толщиной около 10 км и горизонтальными размерами 14 тыс. км. Такая неоднородность может рассматриваться как эндовибратор, в котором электромагнитная волна может задержаться на 1-2 с, совершая горизонтальные осци
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.