научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЫСОКОШИРОТНЫХ МАГНИТНЫХ И РАДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЫСОКОШИРОТНЫХ МАГНИТНЫХ И РАДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 94-102

УДК 550.385.1

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЫСОКОШИРОТНЫХ МАГНИТНЫХ И РАДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

© 2015 г. В. И. Бадин

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: badin@izmiran.ru Поступила в редакцию 11.04.2013 г. После доработки 21.04.2014 г.

Спектральный анализ доплеровских радарных измерений в высоких широтах устанавливает определенное соответствие с частотами скрытой периодичности, обнаруженными в магнитных наблюдениях. Используя простую спектральную модель, это соответствие позволяет косвенным образом оценить доплеровский сдвиг частоты, присущий высокоширотным магнитным измерениям. Обсуждается связь полученных результатов с высокоширотными наблюдениями УНЧ сигналов и возможной интерпретацией таких наблюдений.

DOI: 10.7868/S0016794015010022

1. ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения вариаций геомагнитного поля обеспечили первые шаги в научном изучении околоземной космической плазмы. Такие наблюдения по-прежнему остаются удобным и эффективным средством дистанционной диагностики и мониторинга процессов в ионосфере и магнитосфере Земли. Для изучения высокоширотных явлений значительный интерес представляют магнитные пульсации в диапазоне ультранизких частот (УНЧ). Это направление исследований широко отражено в монографической и обзорной литературе [Гульельми и Троицкая, 1973; Пудовкин и др., 1976; Kivelson, 2006; Гульельми, 2007; Клейменова, 2007; Alperovich and Fedorov, 2007]. Список оригинальных работ столь обширен, что его невозможно привести в сколь-нибудь полном виде.

Другим важным направлением исследований высокоширотных процессов стали радарные ионосферные наблюдения. Это сравнительно новое направление интенсивно развивается в последние десятилетия и достигло впечатляющих успехов в изучении магнитосферной конвекции, магнитогидродинамических (МГД) волн, а также многих других магнитосферных и атмосферных явлений, например, обзор [Chisham et al., 2007]. В последние годы большое внимание уделяется экспериментам по рассеянию радиоволн неодно-родностями, создаваемыми с помощью нагревных КВ стендов, например, [Борисова и др., 2011]. Использование искусственно созданных неоднород-ностей позволяет повысить пространственное и временное разрешение измерений. Вместе с тем, комплексный анализ обычных радарных и магнитных наблюдений остается вполне эффектив-

ным и более доступным методом исследования, например, [Клейменова и др., 2010].

В ряде работ, посвященных сравнительному анализу магнитных и радарных наблюдений, обнаруженные в доплеровских радарных данных обособленные (уединенные) частоты интерпретировались как частоты поперечных тороидальных магнитосферных колебаний или резонансов магнитных силовых линий [Walker et al., 1979; Fenrich et al., 1995; Ziesolleck et al., 1998]. В таких наблюдениях часто фиксируются стабильные дискретные частоты 1.3, 1.9, 2.6 и 3.4 мГц, которые иногда называют "магическими". С другой стороны, в реальной магнитосфере геомагнитное поле не имеет азимутальной симметрии, и резонансные колебания оказываются связанными продольно-поперечными колебаниями [Kivelson and Southwood, 1986]. Это обстоятельство должно сказываться на значение резонансных частот. Согласно численным расчетам, в азимутально-сим-метричном дипольном поле спектры магнитозву-ковых колебаний оказываются значительно более высокочастотными, чем спектры поперечных тороидальных колебаний [Lee and Lysak, 1991, 1999]. Численные расчеты резонансов магнитных силовых линий в более реалистичной модели магнитосферы показали, что в возмущенных условиях резонансные частоты значительно возрастают за счет сжатия магнитосферы солнечным ветром [Cheng and Zaharia, 2003].

Спектральный анализ магнитных и радарных данных сталкивается с определенными трудностями, которые обусловлены физикой магнитных и радарных измерений. В частности, магнитометр измеряет сумму магнитных полей всех источни-

ков, как близлежащих, так и удаленных. Спектральные свойства магнитных вариаций могут быть обусловлены как внутримагнитосферными, так и внемагнитосферными источниками. При обработке магнитных данных основная трудность состоит в том, чтобы отделить сигнал искомого источника от сигналов других источников. В противоположность магнитным наблюдениям, радарные измерения локальны, но осуществляют пространственное усреднение, суммируя радиосигнал, отраженный от определенного конечного объема ионосферной плазмы. Изучаемый объект (например, вихрь магнитосферной конвекции) может перемещаться относительно радара. В этом случае радарные данные, полученные для фиксированного луча и фиксированной дальности отражений, будут проводить усреднение между различными траекториями магнитосферной конвекции. При обработке радарных наблюдений значительная трудность может состоять в том, чтобы выделить спектральные свойства искомого источника из усредненных подобным образом данных.

Сравнительный анализ радарных и магнитных данных сталкивается также с трудностью другого рода. А именно, доплеровские радарные измерения определяют проекцию на радарный луч скорости дрейфа ионосферных электронов Уе, которая пропорциональна отношению Е/В электрического и магнитного полей. Частоту, которую спектральный анализ выделит из таких данных, можно считать истинной частотой изучаемого процесса, поскольку электрические и магнитные поля не увлекаются движущейся средой (земной атмосферой). В противоположность этому, магнитометры измеряют магнитное поле электрических токов. Электрический ток в ионосфере пропорционален разности скоростей ионов и электронов V _ V. Следовательно, магнитные и радарные данные соотносятся между собой так же, как измерения в двух различных системах отсчета, одна из которых движется со скоростью V относительно другой. Это означает, что в общем случае магнитные данные содержат доплеровский сдвиг частоты относительно радарных данных. Корректный сравнительный анализ таких данных возможен в том случае, если удастся оценить или устранить сдвиг частоты между ними. Однако прямое измерение этого эффекта Доплера оказывается практически неразрешимой экспериментальной задачей.

Для преодоления указанных трудностей было предложено [Бадин, 2011] сформулировать задачу спектрального анализа магнитных измерений как задачу Шустера о скрытой периодичности, т.е. как задачу отыскания в магнитных данных дискретного спектра частот. Такой подход позволяет, прежде всего, отделить сигнал определенного источника, обладающего таким спектром, от сигна-

лов других источников. Если принять для искомых дискретных частот простую модель гармонического спектра, то с учетом доплеровского сдвига частоты в магнитных данных такой спектр окажется эквидистантным. Отыскав в магнитных данных хорошо выраженный эквидистантный спектр, мы получаем возможность косвенно оценить (устранить) доплеровский сдвиг частоты между магнитными и радарными данными, используя тот факт, что частотное расстояние между последовательными спектральными пиками, т.е. основная частота спектра, не содержит доплеровского сдвига. С другой стороны, такой косвенный метод работает только в рамках определенных модельных представлений, применимость которых априори не очевидна. Чтобы избежать появления артефактов, необходимо подтверждать полученные результаты, используя независимые измерения. Первым шагом в этом направлении может стать поиск в доплеровских радарных измерениях той основной (фундаментальной) частоты эквидистантного спектра, которая была ранее обнаружена в магнитных измерениях. Отыскание таких частот составляет первоочередную цель данной работы.

2. ВЫБОР АВРОРАЛЬНЫХ СОБЫТИЙ

Данная работа использует магнитные измерения, полученные меридиональной цепочкой магнитометров IMAGE, которые осуществляют мониторинг вариаций геомагнитного поля на авро-ральных широтах. Для того чтобы уменьшить влияние на результаты спектрального анализа нестационарности временных рядов, отбираются такие авроральные события, в которых полярные сияния наблюдаются только в достаточно узком интервале широт, что определяется по кеограм-мам оптических наблюдений сияний камерами полного обзора неба. Чтобы уменьшить влияние нелокальности магнитных измерений, спектральный анализ применяется к магнито-раз-ностным сигналам. Магнито-разностный сигнал представляет собой разность меридиональных составляющих магнитного поля, измеренных двумя соседними станциями меридиональной цепочки. Спектральный анализ магнито-разностных сигналов формулируется как задача отыскания преобладающего дискретного спектра частот в предположении эквидистантности такого спектра [Бадин, 2011].

Для проведения сравнительного анализа магнитных и радарных данных, необходимо также учесть ограничения, обусловленные техникой радарных измерений, т.е. необходимо исключить такие события, для которых доплеровские радарные данные содержат длительные интервалы последовательных нулей (возникающих, например, при длительном отсутствии отражений). Необходимо исключить также события, во время которых бы-

нТл 1200

800

400

0 800

400

0

01.01.2000 г.

20

60

100

140

180

220 мин

Рис. 1. АЁ-индексы для изучаемых авроральных событий.

ли перерывы в работе радара. Обычно, в поле зрения радара находится лишь незначительное число магнитовариационных станций. Поэтому, необходимо исключить события, во время которых наблюдались перерывы в работе соответствующих магнитометров. Учет подобных ограничений уменьшает число авроральных событий, для которых возможно провести сравнительный спектральный анализ магнитных и радарных наблюдений.

С учетом перечисленных ограничений, в данной работе анализируются авроральные события, которые наблюдались одновременно цепочкой магнитометров IMAGE и норвежским радаром STARE 01 января 2000 г. с 12:00 до 16:00 UT и 21 января 2004 г. с 14:00 до 18:00 UT Временной ход АЁ-индекса для этих событий показан на рис. 1. В поле зрения норвежского радара STARE находились магнитные станции меридиональной цепочки SOR и MAS [Клейменова и др., 2010]. Географические и геомагнитные

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.

Показать целиком