ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 630-642
УДК 550.388.2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИЙ ДИАПАЗОНА Рс4-5, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ РАКУРСНОГО РАССЕЯНИЯ KB РАДИОВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ KB НАГРЕВНОГО СТЕНДА EISCAT/Heating
И НАЗЕМНЫМИ МАГНИТОМЕТРАМИ © 2011 г. Т. Д. Борисова1, Н. Ф. Благовещенская1, В. А. Корниенко1, М. Т. Риетвельд2
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург 2EISCAT, Тромсе дивизион, г. Тромсе, Норвегия e-mail: borisova@aari.nw.ru Поступила в редакцию 24.02. 2010 г. После доработки 17.05.2010 г.
Представлены результаты исследования параметров пульсаций в диапазоне периодов Рс4—5 по данным измерений методом ракурсного рассеяния радиоволн с использованием KB нагревного стенда EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия) и наземных магнитометров сети IMAGE (Скандинавия). Наблюдения выполнялись в утренние часы 3 октября 2006 г. при развитии суббури на ночной стороне. Анализ данных наблюдений в период с 10:00 до 10:20 UT показал наличие волновых возмущений с периодами, соответствующими пульсациям Рс4—5 (80—240 с). По данным одновременных доплеровских наблюдений на двух трассах реконструировано поведение полного вектора движения ионосферных неоднород-ностей и напряженности электрического поля в искусственно возмущенной высокоширотной F области ионосферы. В целом наблюдается соответствие во временном ходе поведения пульсаций Рс4—5 в магнитных и ионосферных данных: между амплитудой скорости |V| и Х-компонентой магнитного поля Земли, а также между азимутом движения неоднородностей и Z-компонентой. В период эксперимента по магнитным данным одновременно регистрировались волны крупномасштабного характера, соответствующие собственным резонансам магнитных силовых линий (малые значения азимутального числа |m| ~ 2—4), и мелкомасштабные (большие значения |m| ~ 17—20). Показано, что периоды волновых процессов, зарегистрированные как методом ракурсного рассеяния, так и магнитометрами на поверхности Земли соответствовали друг другу. Формирование волновых процессов объясняется нестационарным воздействием солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) на магнитосферу Земли. Изменения в ММП по данным измерений на спутнике АСЕ характеризовались резким ростом динамического давления плазмы солнечного ветра, произошедшего около 09 UT 3 октября 2006 г. и сопровождавшегося быстрыми изменениями полярности северо-южной (Bz) и поперечной (Ву) компонент ММП.
1. ВВЕДЕНИЕ
Геомагнитные пульсации представляют собой короткопериодные колебания геомагнитного поля, характеризуются квазипериодической структурой и относятся к диапазону СНЧ (сверх низкочастотных волн в диапазоне 1—100 мГц; в зарубежной литературе используется термин ULF, Ultra Low Frequency). Результаты исследований физических и морфологических свойств геомагнитных пульсаций, их физической природы возбуждения и пространственного распределения представлены во многих работах (см., например, [Пудовкин и др., 1976;], а также обзоры: [Гульельми и Троицкая, 1973; Клейменова, 2007] и литература, цитируемая в них).
Исследования параметров пульсаций проводятся как по данным наземных магнитных наблюдений, так и по результатам измерений непосредственно на высотах ионосферы (спутники, радары).
При использовании в наблюдениях доплеров-ского метода появление цугов квазипериодических
вариаций доплеровского сдвига частоты ^ коротковолновых сигналов свидетельствует о наличии волновых процессов в области, содержащей естественные и/или искусственные мелкомасштабные неоднородности. При рассеянии диагностических сигналов на сильно вытянутых магнитно-ориентированных неоднородностях (Ьц > где Ьц и — масштабы неоднородностей вдоль и поперек магнитного поля, соответственно) измеряется только компонента скорости дрейфа, перпендикулярная магнитному полю. Поэтому можно заключить, что волновые процессы, ответственные за появление вариаций ^, имеют поперечную составляющую движения заряженных частиц к направлению линий геомагнитного поля. К такому эффекту, например, могут приводить поперечные магнитогидроди-намические волны, роль которых является определяющей в активности естественных пульсаций геомагнитного поля [Гульельми и Троицкая, 1973; Гульельми, 2007].
Свойства геомагнитных пульсаций СНЧ диапазона в ионосфере исследовались также с помощью когерентных KB радаров. СНЧ активность обычно проявляется как резонансный отклик собственных колебаний силовых линий магнитного поля Земли, наблюдаемых на высотах Е-слоя [Walker и др., 1979] и /-слоя [Fenrich и др., 1995] ионосферы. Вместе с тем были обнаружены проявления СНЧ пульсаций явно нерезонансного характера [Wright and Yeoman, 1999]. Важным параметром СНЧ волн является азимутальное волновое число, m [Olson and Rostoker, 1978], которое может быть использовано для оценки пространственного масштаба волны.
Авторы [Waters et al., 2007] экспериментально и теоретически изучали задачу вариации частоты распространения радиосигналов в ионосфере, возмущенной СНЧ волнами, и показали, что благодаря эффекту пространственного усреднения, характеристики волновых возмущений, измеренные в ионосфере, могут существенно отличаться от данных наземных магнитометров.
Одним из методов исследования проявлений магнитных пульсаций на ионосферных высотах является сочетание KB нагревных комплексов и метода ракурсного (или обратного) рассеяния диагностических KB сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН). С помощью KB нагревного комплекса создается контролируемым образом искусственно возмущенная область (ИВО) ионосферы с известными пространственными характеристиками (высота и горизонтальный размер), "заполненная" магнитно-ориентированными МИИН. Движения ионосферных неоднородностей происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Сдвиг доплеровской частоты ракурсно-рассеянного на МИИН диагностического KB радиосигнала определяется скоростью неоднородностей [Гершман и др., 1984; Благовещенская, 2001]. В работе [Yeoman et al., 1997] по одновременным измерениям KB радара CUTLASS в ИВО ионосферы, создаваемой на-гревным стендом ElSCAV/Heating, и данным наземных магнитометров проведены исследования временных характеристик пульсаций, связанных с резонансными колебаниями магнитной силовой линии, вызванных магнитосферным импульсом. Результаты определения характеристик магнито-сферного резонатора по данным сети магнитометров оказались более грубыми по сравнению с радарными измерениями. В работе [Sinitsin et al., 1999] обсуждается связь вариаций доплеровского сдвига частоты^ с дрейфом плазмы в электрическом поле геомагнитных пульсаций. Во время экспериментов с использованием KB нагревных комплексов исследовались проявления регулярных пульсаций в диапазоне Рс3—4 в F области среднеширотной ионосферы [Blagoveshchenskaya et al., 1996; Blago-veshchenskaya et al., 1998a], а также иррегулярных
пульсаций Pi2 в авроральном ES-слое ионосферы [Blagoveshchenskaya et al., 1998b]. Основываясь на наземных магнитометрических измерениях во время эксперимента на стенде Сура и диагностике искусственной ионосферной турбулентности методом ракурсного рассеяния, [Урядов и др., 2004] установили связь ионосферных квазипериодических колебаний с распространением магнитогидродина-мических волн, возбуждаемых во время магнито-сферной бури.
Из опубликованных работ, посвященных исследованию проявления пульсаций в ионосферных и наземных магнитных данных, следует, что связь между этими двумя явлениями не всегда однозначна и зависит от конкретных геофизических условий.
Целью данной работы является исследование характеристик волновых возмущений в диапазоне пульсаций Рс4—5, экспериментально измеренных 3 октября 2006 г. методом ракурсного рассеяния радиоволн в период проведения экспериментов совместно с нагревным стендом EISCAT/Heating и наземными магнитометрами сети IMAGE (Скандинавия). Отличительной особенностью эксперимента являлось проведение наблюдений одновременно на двух диагностических радиотрассах, что позволило реконструировать поведение векторов движения ионосферных неоднородностей V и электрического поля Е в искусственно возмущенной F области ионосферы. Анализ и интерпретация результатов наблюдений выполнялась с учетом магнитных и ионосферных данных, характеризующих фоновую геофизическую обстановку, а также с привлечением измерений параметров солнечного ветра на спутнике АСЕ.
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Экспериментальные наблюдения 3 октября 2006 г выполнялись в утренние часы методом ракурсного рассеяния диагностических KB сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неодно-родностях (МИИН). Модификация ионосферы производилась с помощью KB нагревного комплекса EISCAT/Heating, [Rietveld et al., 1993], расположенного в Норвегии недалеко от г. Тромсе (географические координаты 69.6° N, 19.2° E, L = = 6.2). Мощная KB радиоволна о-моды поляризации излучалась на частоте f = 4040 кГц с 10:00 до 10:13:30 UT и с 10:15 до 10:20 UT Диаграмма направленности антенны KB нагревного комплекса была наклонена к югу на 12°; что обеспечивало излучение в направлении, близком к ориентации магнитного поля Земли в г. Тромсе. Размер ИВО ионосферы на высотах F2 слоя соответствовал 100 км. Эффективная мощность излучения составляла рэфф = 190-210 МВт.
70
3 &
£
оТ н о л S
60
БОРИСОВА и др. 10 20
KEV|
Тромсе
ISCAT/Heating
Долгота, Е град
Рис. 1. Карта — схема геометрии эксперимента 3 октября 2006 г. Наблюдения методом ракурсного рассеяния выполнены одновременно на трассе Лондон-Тромсе—С.-Петербург и на трассе Пори-Тромсе—С.-Петербург. 1 — трасса прямого распространения КВ сигнала, 2 — трасса ракурсного рассеяния, 3 — наземные магнитометры.
Прием диагностических сигналов, рассеянных на МИИН, осуществлялся методом ракурсного рассеяния на обсерватории Арктического и антарктического научно-исследовательского института "Горьковская", расположенной в 70 км от г. С.-Петербург и 1200 км от нагревного комплекса г. Тромсе. Измерения выполнялись одновременно на двух диагностических трассах: Лондон—Тромсе—С.-Петер-бург, рабочая ч
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.