ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 787-798
УДК 550.388
ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОГЕРЕНТНОГО ЭХА В МАГНИТНУЮ БУРЮ 15-17 ИЮЛЯ 2000 г. ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ИРКУТСКОГО РАДАРА НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ
© 2004 г. О. И. Бернгардт, Н. А. Золотухина, Б. Г. Шпынев
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск e-mail: berng@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 30.12.2003 г.
После доработки 06.04.2004 г.
Исследованы характеристики спектров когерентного эха, зарегистрированного Иркутским радаром некогерентного рассеяния в магнитную бурю 15-17.07.2000 г. В спектрах рассеянных сигналов обнаружено квазипериодическое изменение смещения частоты около нуля с периодами ~25-30 мин и амплитудой ~200 Гц (соответствует эффекту Доплера при скорости рассеивающих неоднородно-стей ~200 м/с). Такие же периоды наблюдаются в вариациях геомагнитного поля, зарегистрированных в большом широтном и долготном диапазонах, и в вариациях радиальной скорости протонов с энергиями 1-130 эВ на оболочке L ~ 6.6 в секторе регистрации когерентного эха. Возможной причиной указанных явлений могут быть квазипериодические изменения давления солнечного ветра.
1. ВВЕДЕНИЕ
Иркутский радар некогерентного рассеяния (НР) [Жеребцов и др., 2002] - среднеширотная установка, используемая для диагностики ионосферной плазмы методом обратного рассеяния в метровом диапазоне радиоволн. Во время геомагнитных возмущений радар может принимать сигналы обратного рассеяния от вытянутых вдоль магнитного поля Земли неоднородностей £-слоя ионосферы (когерентное эхо), образующихся, в основном, в результате развития неустойчивостей двухпотокового и градиентно-дрейфового типов.
В средних широтах когерентное эхо наблюдается достаточно редко, поскольку для развития этих неустойчивостей необходимо существование сильного электрического поля и (или) больших градиентов фоновой электронной концентрации. Такие условия в среднеширотной ионосфере реализуются во время геомагнитных возмущений. Мощность когерентного эха обычно на 5-10 порядков превосходит мощность некогерентно-рассеянного сигнала. Однако на Иркутском радаре НР геометрия эксперимента такова, что когерентное эхо принимается нижними боковыми лепестками диаграммы направленности, что сильно ослабляет когерентный сигнал вплоть до уровня мощности сигналов некогерентного рассеяния.
В данной работе показано необычное поведение спектральных характеристик когерентного эха, обнаруженное при анализе данных иркутского радара НР для магнитной бури 15-17 июля
2000 г., и предложено возможное объяснение полученных результатов.
2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ КОГЕРЕНТНОГО ЭХА
Режим работы Иркутского радара НР во время геомагнитных возмущений включает в себя излучение двух последовательных радиоимпульсов фиксированной длительности на слабо разнесенных фиксированных частотах ~158 МГц с частотой следования зондирующих импульсов 25 Гц и сохранением полной формы (квадратурных компонент как функций времени) принятого сигнала на каждой частоте в цифровом виде. Оцифровка сигнала проводилась с частотой 83.3 кГц, что существенно превышает удвоенную ширину спектра принятого сигнала (составляющую не более 10 кГц), и поэтому допускает восстановление полной формы сигнала по известной теореме Ко-тельникова. Длительность короткого радиоимпульса составляет ~100 мкс, а длительность длинного ~750 мкс. Данные зондирования коротким импульсом используются для получения информации о мощности рассеянного сигнала и ее зависимости от расстояния (измерение вариаций мощности, вызванных ионосферным эффектом Фарадея) и обладают лучшей разрешающей способностью по дальности. Зондирование длинным импульсом используется для получения информации о спектральных характеристиках рассеянного сигнала, поскольку обеспечивает лучшее спектральное разрешение.
787
5*
Спектральные характеристики когерентного эха рассчитывались по данным зондирования длинным импульсом. Для их расчета выбрана следующая методика.
1. Определяется средняя спектральная мощность рассеянного сигнала для прямоугольного "окна" с длительностью, равной длительности излучаемого сигнала. Расчет проводится по методике [Berngardt and Shpynev, 2002], улучшающей спектральное разрешение. Осреднение выполняется по 1000 реализаций (соответствует временному разрешению 40 с и дает дисперсию оценки ~3%). При построении зависимости спектральных характеристик от дальности «окна» берутся с шагом 100 км, что соответствует незначительному перекрытию двух соседних «окон» по дальности.
2. Отбрасываются спектры, имеющие более одного пика, как вносящие большую погрешность в определение ширины спектра и его смещения.
3. Отбрасываются спектры с отношением сигнал/шум меньше 8 (амплитуда шума SN рассчитывается по боковым частям спектра, амплитуда сигнала S - по амплитуде максимума спектра).
4. Определяется спектральное смещение </) и спектральная ширина А/ по формулам:
< f >
_ J f (< S(2 nf )> - SN) df = J ( < S( 2 nf )> - Sn)df '
Af =
H
J( f - < f >)2(<S(2nf )> - Sn)df
(1)
J(<S(2nf )> - Sn)df
Когерентное эхо основных типов [Haldoupis, 1989] обычно обладает спектрами более узкими, чем спектральное разрешение длинного импульса Иркутского радара HP. Поскольку увеличение длительности импульса в пределах, допустимых техническими характеристиками радара, не дает существенного повышения спектрального разрешения, при обработке данных используется специальная методика, представленная в работе [Berngardt and Shpynev, 2002].
3. НАБЛЮДАЕМОЕ КОГЕРЕНТНОЕ ЭХО, ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Стандартные измерения мощности и спектрального состава рассеянного сигнала по методике, описанной выше, а также регистрация полной формы рассеянного сигнала проводились на всем протяжении магнитной бури. Когерентное эхо наблюдалось на диаграммах расстояние-время-интенсивность сигнала с ~20 UT 15 июля до 20:45 UT 16 июля. Зависимость его мощности от времени и радиолокационной дальности приведена на рис. 1. Явно выделены два интервала дальностей (550 и
1100 км), соответствующие наиболее точному выполнению известного условия ракурсности рассеяния [см., например, Haldoupis, 1989].
Результаты расчета спектральных характеристик на двух фиксированных дальностях - 110 и 900 км - для временного интервала 22 UT 15.0701 UT 16.07 представлены на рис. 2. Из приведенных данных видно, что ширина спектров когерентного эха больше 500 Гц. Смещение максимума спектра когерентного эха достигает 200 Гц. В интервале ~22:45-24 UT 15.07 оно меняется с квазипериодом T ~ 25-30 мин. Если интерпретировать смещение спектра как доплеровское смещение частоты при рассеянии на движущихся неоднородности, то такие дрейфы соответствуют скоростям V ~ 200 м/с. Положительные значения V на рис. 2 соответствуют движению неоднороднос-тей по направлению к югу (в сторону приемника).
Описанные особенности наблюдались как при применении стандартной методики оценки ширины спектров и спектрального смещения без улучшения спектрального разрешения (рис. 2, штрих), так и с улучшением спектрального разрешения (рис. 2, линия с квадратами). В среднем, спектральное смещение нулевое и ширина спектров порядка 500-900 Гц. При средней температуре в £-слое ионосферы 400° К и массе ионов порядка
30-32 атомных единиц массы (NO+, O+) [Харг-ривс, 1982] ионно-звуковая скорость имеет порядок 200 м/с, что соответствует спектрам с шириной порядка 200 Гц. По этим признакам, в соответствии с существующей классификацией, наблюдаемое рассеяние можно отнести к типу 2 когерентного эха [Haldoupis, 1989]. Однако не наблюдавшиеся ранее квазипериодические вариации смещения спектра, приведенные на рис. 2а, б (зависимость смещения от UT), не позволяют точно классифицировать данный тип когерентного эха и требуют особого рассмотрения.
Согласно работе [Hamza and St.-Maurice, 1993], в однородной стационарной ионосфере изменение спектрального смещения в спектре когерентного эха может быть объяснено перекачкой энергии различных мод колебаний. В этом случае ширина спектров, спектральное смещение и ионно-звуко-вая скорость CS должны быть связаны между собой как:
< /) 2 + (А/ )2 = (C2- (2)
Расчет полученных экспериментальных данных по формуле (2) показывает, что в данном случае ионно-звуковая скорость также будет испытывать квазипериодические вариации. Это должно соответствовать периодическим изменениям температур в £-слое ионосферы с периодами ~25-30 мин и амплитудой ~30%. Таким образом, предположе-
Дальность, км
1000-
Мощность, дБ
800-
600-
400-
200-
17 18 19 20 21 22 23 24 25
Время, UT
26
27
40
35
30
25
20
15
10
5
0
—5
Рис. 1. Мощность когерентного эха по данным Иркутского радара НР 15-16 июля 2000 г. как функция времени и дальности.
ние об однородной стационарной ионосфере в данном случае неправомочно, и наблюдаемый эффект квазипериодических изменений спектрального смещения указывает на существенную нестационарность и неоднородность ионосферной плазмы в области рассеяния.
4. ГЕОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА И УСЛОВИЯ В МЕЖПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Когерентное эхо, описанное в предыдущем разделе, зарегистрировано в максимуме большой магнитной бури 15-17.07.2000 г. (минимум Dst = -300 нТл; максимум ^ = 90). Изменения мощности рассеянного сигнала на двух дальностях (обозначим их как P1, P2 для дальностей 550 и 1100 км соответственно) и некоторых параметров, характеризующих процессы, развивающиеся в околоземном космическом пространстве в ходе бури, представлены на рис. 3. Данные искусственных спутников Земли (ИСЭ) получены на сайтах http://nssdc.gsfc.nasa.gov/space/space_physics_home_ fr.html; данные по магнитному полю и значения геомагнитных индексов - на http://swdcdb.kugi. kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html. Временной интервал регистрации эха отмечен на рисунке темным прямоугольником. Интервал квазипериодических из-
менений спектрального смещения указан двумя вертикальными линиями.
1. Сравнительный анализ изменений мощности (рис. 3а) и SYM-H индекса (аналог Dst, рис. 3d) показывает, что авроральное эхо появляется в сигналах обратного рассеяния через час после начала интервала быстрого усиления к
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.