Что такое внезапное ионосферное возмущение

Курсовая работа на 2 курсе магистратуры «Анализ пространственно-временной динамики ионосферной возмущенности»

Курсовая работа на 2 курсе магистратуры

«Анализ пространственно-временной динамики ионосферной возмущенности»

1. Цепь термосферно-ионосферных явлений. 3

2. Определение перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) 4

3. Внезапные ионосферные возмущения (ВИВ) 7

4. Поглощение радиоволн в полярной шапке (ППШ) 8

5. Авроральное поглощение радиоволн. 10

6. Проявление высокоэнергичных геофизических (прохождение терминатора, изменения в электроджетах, погодные фронты, извержения вулканов, землетрясения) явлений в ПИВ 13

7. Искусственные причины ПИВ (нагрев мощным радиоизлучением, выбросы химически активных веществ, взрывы) 19

К ионосферным возмущениям относят отклонения ионосферных параметров от их спокойного суточного хода. Ионосфера возмущается многими факторами. Крупномасштабные возмущения, которые длятся несколько часов, имеют солнечное происхождение и обусловлены перестройкой магнитосферы Земли. Они связаны с солнечными вспышками и резкими изменениями параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), и, соответственно, с геомагнитными возмущениями. Среди причин более кратковременных возмущений обычно связанных с распространением акустико-гравитационных волн, прежде всего следует назвать: прохождение терминатора, изменения в электроджетах, погодные фронты, извержения вулканов, землетрясения, а также высокоэнергичные искусственные воздействия (нагрев мощным радиоизлучением, выбросы химически активных веществ, взрывы). Возмущения, обусловленные этими факторами, имеют обычно меньшие временные и пространственные масштабы, чем крупномасштабные возмущения, и, соответственно, меньшую интенсивность.

1. Цепь термосферно-ионосферных явлений

Возмущение параметров солнечного ветра и ММП, дошедшие к Земле через сутки или несколько суток после начала солнечного события, ведут к перестройке магнитосферной конвекции, развитию кольцевого тока и сбросу энергичных частиц из магнитосферы, вызывая цепь термосферно-ионосферных явлений. К ним относятся:

2. Перестройка горизонтального распределения ионосферной плазмы в F2-области за счет высыпаний мягких частиц и переноса плазмы магнитосферной конвекцией;

3. Разогрев термосферы за счет диссипации ионосферных токов, генерация термосферных ветров и изменения нейтрального сотава;

4. Генерация ВГВ и соответственно ПИВ, распространяющихся от высоких широт к низким и деформирующих весь высотный профиль электронной концентрации;

5. Джоулев разогрев ионного газа в высоких широтах;

6. Разогрев внешней ионосферы за счет диссипации кольцевого тока и передача тепла вниз путем теплопроводности, увеличение температур заряженных частиц и плазменной шкалы высот;

7. Колебательное возбуждение молекулярного азота вторичными электронами при высыпаниях и тепловыми электронами при повышении температур последних.

Совместное действие этих механизмов вызывает изменения электронной концентрации, регистрируемые как ионосферные эффекты геомагнитных бурь и суббурь.

1. Ионосферные эффекты ионизирующего волнового и корпускулярного излучения солнечных вспышек

1.1 Внезапные ионосферные возмущения

1.2 Поглощение в полярной шапке

2. Ионосферные эффекты высыпаний энергичных частиц из магнитосферы

2.1 Авроральные поглощения

2.2 поглощение на средних широтах

3. ионосферные эффекты магнитосферных электрических полей

4. ионосферные эффекты магнитосферного кольцевого тока

5. эффекты термосферных возмущений

5.1 ионосферные эффекты внутренних гравитационных волн

5.2 эффекты крупномасштабных возмущений термосферной циркуляции.

2. Определение перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ)

В периоды магнитосферных суббурь, когда усиления авроральных электроструй развиваются в течение 10-20 минут и длятся порядка 0,5-3 часа, реакция термосферы имеет характер импульса такого же порядка длительности, распространяющегося со скоростью порядка 400-800 м/с. Возмущение появляется в данном пункте наблюдений сначала на больших высотах, а потом на более низких, т. е. оно распространяется горизонтально с наклонным фазовым фронтом. Амплитуда возмущения растет с высотой вплоть до высот порядка 200 км вследствие уменьшения плотности атмосферы, а на больших высотах этот рост останавливается процессами диссипации за счет вязкости и теплопроводности. Эти особенности возмущения, генерируемого авроральной электроструей, типичны для ВГВ. Они выявляются и в расчетах, и в наблюдениях.

Среднеширотный ионосферный эффект суббури, отождествляемый с прохождением ВГВ, характеризуется задержкой в 45-60 минут относительно начала суббури в магнитном поле и отчетливее всего проявляется в увеличении на несколько десятков (до 150-200) километров. [ 1983г.]. Что касается других параметров – профилей среднеширотной ионосферы, то установлено, что их изменения, связанные с происхождением ВГВ. Имеют различный характер в дневных и ночных условиях. Это различие заключается главным образом в том, что днем высотные профили электронной концентрации существенно деформируются, ночью они просто перемещаются по вертикали почти без изменений своей формы.

Рис. 1. Рассчитанные высотные профили электронной концентрации в различные моменты времени при прохождении ВГВ [BaileyD. C. 1968 г.] о — дневные условия; б — ночные. Цифрами у кривых отмечена последовательность моментов времени.

Основной механизм воздействия ВГВ на плазму -области заключается в «ветровом увеличении», т. е. в передаче импульса горизонтально движущихся нейтральных частиц ионами, которые в результате этого приобретают дополнительную скорость вдоль магнитного поля. Рассмотрение высотных профилей возмущения меридиональной скорости нейтрального газа позволяет объяснить различие реакции ионосферы на прохождение ВГВ в дневных и ночных условиях.

Главная причина этого различия состоит в том, что ночью на средних широтах максимум -слоя расположен почти на 100 км выше, чем днем, из-за суточного хода термосферных ветров. В результате максимум -слоя ночью попадает в область меньшей дивергенции вертикальной ионной скорости, обусловленной ветровым увеличением, чем днем, поскольку высотный профиль возмущений меридиональной скорости нейтрального газа выше 300 км становится почти однородным из-за сглаживающего влияния вязкости. Таким образом, ночью -слой под действием ВГВ перемещается по вертикали как целое без существенных изменений своей формы.

Днем, когда -слой находится в целом низко, его макисмум оказывается в области значительно большей дивергенции вертикальной ионной скорости, чем ночью. На начальной стадии возмущения происходит вынос плазмы из максимума -слоя, в результате чего изменяется форма профиля электронной концентрации. В дальнейшем вертикальный перенос в окресности максимума -слоя становится более однородным, и профиль электронной концентрации перемещается вверх как целое с ростом из-за уменьшения скорости потерь, пропорциональным направленной к экватору скорости нейтрального газа.

Таким образом, воздействие ВГВ на -слой ночью, когда слой поднят высоко (), происходит аналогично воздействию нестационарного восточного электрического поля, поскольку и в том. И в другом случае имеет место почти однородный перенос плазмы вверх.

3. Внезапные ионосферные возмущения (ВИВ)

Поскольку в периоды солнечных вспышек наибольшее усиление излучения (в десятки и сотни раз) имеет место в рентгеновском диапазоне, то прямым следствием такого усиления является соответствующее увеличение скорости ионообразования на высотах области D и нижней части области E, куда рентгеновское излучение проникает без заметного ослабления, обусловленного поглощением в верхних слоях атмосферы. Этот рост ионизации в нижней ионосфере и ответствен за наблюдаемые в виде резкого увеличения электронной концентрации (до порядка величины) и соответствующих эффектов в распространении радиоволн внезапные ионосферные возмущения (ВИВ), сопровождаемые обычно геомагнитными вариациями типа «кроше»(SFE). На высотах областей E и F. Где ионизация обусловлена преимущественно ультрафиолетовым излучением, сравнительно мало возрастающим в периоды вспышек, относительные эффекты в электронной концентрации соответственно меньше. Тем не менее они вполне ощутимы и ответственны за такое явление, как SFD (внезапное изменение несущей частоты в КВ-диапазоне). Поскольку в различных спектральных участках интенсивность вспышки изменяется со временем по-разному, то и ВИВ на разных высотах имеют разную длительность: максимальную в D-области и минимальную в F-области.

4. Поглощение радиоволн в полярной шапке (ППШ)

Очень крупные солнечные вспышки сопровождаются помимо усиления волнового излучения выбросами энергичных протонов с энергиями в десятки мегаэлектронвольт и более. Такие вспышки называют протонными, а их высокоэнергичное корпускулярное излучение – солнечными космическими лучами (СКЛ). Последние сожержат помимо протонов α-частицы и в незначительных количествах более тяжелые частицы, а так же электроны. Протоны с энергиями , вторгаясь в нижнюю ионосферу и ионизуя D-область, вызывают поглощение радиоволн, характеризуемое уменьшением интенсивности принимаемого на Земле космического радиошума и ростом – минимальной частоты радиоволн, отраженных от ионосферы при ВЗ. Вплоть до полного отсутствия радиоотражений на ионограммах (так называемые блэкауты).По данным сети риометров было установлено, что поглощение в периоды протонных вспышек ограничено приполюсными областями (Ф≳), поэтому явление получило название ППШ (его именуют так же SPE – solarprotonevent).

Локализация явления в полярных областях обусловлена низкой плотностью частиц в потоке СКЛ, позволяющей считать их невзаимодействующими и подчиняющимися теории Штермера и ее модификации [ 1978 г.], учитывающей недипольность геомагнитного поля. Согласно этой теории заряженные частицы энергией в несколько мегаэлектронвольт, происходящие из бесконечности к Земле, обладающей дипольным магнитным полем, могут приближаться к ее поверхности лишь в приполюсных областях из-за отклоняющего действия силы Лоренца. Широта обрезания , ниже которой частица не может проникнуть к Земле, определяется ее жесткостью G:

,

где и — импульс и заряд частицы; – гирорадиус; B – магнитное поле. Чтобы частица попала на широту , нужно, чтобы ее жесткость превышала величину .

В дипольном поле на широте Ф

, до которых реально может простираться ППШ, в состоянии проникнуть лишь протоны с энергиями , однако фактические пороговые энергии меньше соответствующих из-за отличия реальной конфигурации геомагнитного поля от дипольной.

Обычно СКЛ, ответственные за ППШ, генерируя при вспышках, сопровождаемых интенсивными всплесками солнечного радиоизлучения. Их приход и соответственно время начала ППШ задержаны относительно момента начала вспышки на время от 20 минут до нескольких (

20) часов. Эта задержка определяется не только энергией протонов, но и длиной пути их распространения от Солнца, которое происходит вдоль сложных траекторий, зависящих от места вылета и характера силовых линий ММП [ 1965 г.]. Неоднородности последнего препятствуют распространению СКЛ к земле и способствуют их изотропизации. С этим обстоятельством связано также то, что длительность ППШ значительно превышает длительность вспышки и составляет от десятков часов до нескольких суток и то, что с ростом солнечной активности длительность задержки увеличивается.

Увеличение электронной концентрации в области D в периоды ППШ. Наиболее ощутимоев самой нижнейее части (), может превосходить эффекты волнового (рентгеновского) излучения сильных вспышек. Учитывая, что длительность ППШ много больше длительности ВИВ и явление развивается не только на дневной. Но и на ночной стороне Земле, его следует считать наиболее значительным типом возмущений высокоширотной нижней ионосферы. Ночью, однако, интенсивность ППШ примерно в 5 раз меньше, чем днем, из-за уменьшения содержания свободных электронов ночью вследствие замедления их отлипания от отрицательных ионов. В [CroomD. L.1968 г.] установлена связь максимального потока протонов с Е10 МэВ со средней продолжительностью (в мин) солнечных радиовсплесков в диапазоне 8 – 20 ГГц и интенсивностью ППШ:

,

где А – дневное поглощение на частоте 30 МГц при вертикальном падении радиоволн.

5. Авроральное поглощение радиоволн

Высыпающиеся из магнитосферы электроны с энергиями Е≳20 кэВ способны вызывать дополнительную ионизацию в областиDи соответствующее усиление поглощения радиоволн. Та­кое усиление поглощения космического радиошума часто наблю­дается с помощью риометров вблизи авроральной зоны, его по­явление на ночной стороне тесно связано с полярными сияниями и магнитными возмущениями. По области появления этот тип воз­мущения назван авроральным поглощением (АП), однако в отличие от полярных сияний оно наблюдается не в авроральном овале, а в кольцевой зоне (зоне Фритца) с максимумом появления около 67° геомагнитной широты, смещающимся, как и все авроральные явления, на более низкие широты с ростом магнитной активности. При Кр

В [1997 г.] получена следующая эмпирическая связь между вели­чиной поглощения А (в дБ) и увеличением электронной концент­рации в максимуме поглощения (в см-3);

а также между А и высотойhmax(в км) максимума пе:

По оценкам работ [1997 г., BaileyD. C. 1968г.,]: hmaxсоставляет ночью около 80—85 км, что соответствует энергиям вторгающихся электронов порядка 20—100 кэВ; днем область максимального аврорального поглощения расположена на несколько километров ниже, что отвечает несколько более жесткому спектру вторгающихся элект­ронов. В [ и др..1992 г.] величина поглощения А (в дБ) на частоте 30 МГц связана с интегральным потоком J высыпающихся электронов c энергиями E> 40 кэВ следующим соотношением:

где J выражено в см-3с-1ср-1, а k = 4*10-3 днем и 2.10-3ночью.

В суточном ходе вероятности появления аврорального поглощения отмечаются два максимума — околополуночный и предполуденный, вечером около 19—20 ч местного геомагнитного времени наблюдается отчетливый минимум. Интенсивность АП в зимнем полушарии примерно вдвое выше, чем в летнем. Связь АП с солнечной активностью проявляется как в 27-дневной повторяемости, так и в 11-летней циклической зависимости [ 1974 г.]. Отдельное событие аврорального поглощения умеренной интенсивности представляет собой полосу, вытянутую вдоль параллели на 3000—5000 км и более и на 200—300 км по меридиану. Временное развитие индивидуальных событий, длящихся от получаса до нескольких часов, по-разному протекает в зависимости от местного времени и фазы магнитного возмущения [, 1972 г.].

Связь АП с геомагнитными возмущениями имеет следующий характер [ 1974 г.]. Ночью АП сопровождается уменьшением горизонтальной составляющей геомагнитного поля (А = 4*10-3 (∆H)0,9, где А— в дБ, ∆Н — в нТл), вечером — увеличением ∆Н, днем АП наблюдается преимущественно при спокойном магнитном поле.

Во время внезапного начала мировой магнитной бури (SC) высыпание электронов, вызывающих АП, стимулируется резким сжатием магнитосферы, но при этом далеко не всегда развивается суббуря, т. е. случаи АП, связанные с SC,— явление более частое, чем суббури, начинающиеся одновременно с SC[ 1983 г.]. Установлено, что спектр высыпающихся электронов, ответственных за АП в моменты SC, зависит от величины скачка поля ∆В: чем сильнее сжатие, тем жестче спектр. Высыпание при этом происходит с внешних оболочек области устойчивого захвата частиц (Ф = 64-67°) и имеет место лишь при ∆ВЭ> 40-50нТл днем и 20-30 нТл ночью [ 1984 г.].

Исследования перемещения области АП, выполненные по данным высокоширотной сети риометров, показали [ 1974], что для бухт АП характерно движение преимущественно на восток в секторе от 21 до 14 ч LTсо скоростями порядка 3—4°/мин (2,8 км/с) и преимущественно на запад в секторе от 14 до 21 ч LTсо скоростями 2—3°/мин (2,0 км/с). В меридиональном направлении на широтах к полюсу отL— 5,5 преобладает движение к полюсу со скоростями 0,1—1,0 км/c, а на меньших широтах — к экватору со скоростями 0,1—0,6 км/с.

АП является традиционным индикатором распределения и движения в магнитосфере электронов с энергиями Е≳30 кэВ. В частности, имеется хорошая корреляция во времени и пространстве высыпающихся потоков электронов с Е> 30 кэВ с усиленными потоками захваченных электронов этих же энергий [ 1965 г.]. Морфология аврорального поглощения интерпретируется в терминах динамики этих частиц в периоды геомагнитных возмущений, в частности в рамках модели дрейфующего электронного облака с постепенным высыпанием в результате диффузии частиц по питч-углам, вызванной, например, свистовой неустойчивостью (при циклотронном резонансе с вистлерами) [ 1983 г.]. В периоды SCразвитие неустойчивости стимулируется бетатронным ускорением вследствие резкого сжатия магнитосферы.

6. Проявление высокоэнергичных геофизических (прохождение терминатора, изменения в электроджетах, погодные фронты, извержения вулканов, землетрясения) явлений в ПИВ

Исследование ионосферных и атмосферных эффектов различного типа, обусловленных солнечным терминатором (СТ), ведутся уже на протяжении достаточно долгого времени. Геометрия его движения хорошо известна и меняется постепенно, поэтому терминатор представляет собой предсказуемое повторяющееся воздействие. Анализ эффектов воздействия СТ на атмосферу, параметры которой постоянно изменяются, позволяет получить более полное представление о происходящих в ней процессах и о взаимодействии различных геосфер в целом.

Широкое развитие спутниковой системы GPS предоставило еще один инструмент для ионосферных исследований и, в частности, исследований ионосферных возмущений, генерируемых СТ. использование плотных сетей станций GPS в Японии и Калифорнии в работе (Aframovich, 2008) были представлены волновые пакеты (ВП), появление которых было синхронизированно с прохождением СТ.

Гипотеза: природа наблюдаемых волновых пакетов – магнитогидродинамическая.

Разработана методика отбора волновых пакетов.

Рисунок 2. Распределение количества волновых пакетов в системе ЛВТ на территории Японии и США весной, летом, осенью и зимой.

На рис.2 представлены нормированные распределения P(dT) плотности появления ВП над территорией Японии и США в различные сезоны в системе локального времени вечернего СТ. пунктирная линия отмечает закат Солнца на высоте 300 км.

Представленные результаты показывают, что наибольшее число ВП, в среднем, регистрируются в Японии в летнее время, в США – в зимнее.

Подтверждение гипотезы о МГД-природе волновых пакетов: наблюдение изменения начала их регистрации с изменением широты.

Проведен сравнительный анализ пространственно-временной динамики возмущений полного электронного содержания (ПЭС) с картами приземных метеорологических параметров во время действия мощных тропических циклонов (ТЦ) Rita (18-26.09.2005) и Wilma (15-25.10.2005).установлено, что над зонами действия циклонов в спокойной геофизической обстановке наблюдалось усиление интенсивности колебаний ПЭС с периодами 2-20 минут и 20-60 минут. Интенсивность колебаний ПЭС была выше на лучах «приемник-спутник», которые проходили ближе к циклону. В колебаниях с периодом 20-60 минут возмущения ПЭС были выражены сильнее, чем для периодов 2-20 минут. Среднее увеличение амплитуды длиннопериодных (20-60 минут) возмущений относительно спокойного уровня составляло 0,7-0,8 TECU. Амплитуда колебаний с периодами 2-20 минут возрастала, в среднем, на 0,3-0,4 TECU. Отклик ионосферы на ТЦ RITA и WILMA был заметно слабее, чем на ТЦ KATRINA.

На основе анализа короткопериодичных временных вариаций параметров ионосферы в работе продолжены исследования возможности проявления мощных метеорологических возмущений в нижней атмосфере в вариациях ионосферных параметров в дальней от региона источника возмущения зоне. В качестве источника воздействия на ионосферу снизу рассматривались сильные метеорологические возмущения в тропосфере – тропические циклоны (ТЦ). Для анализа использовались данные максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) сигналов наклонного зондирования вдоль трасс Магадан-Иркутск, Хабаровск-Иркутск и Норильск-Иркутстк, проходящих в регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока, весной (март-апрель), летом (июль) и осенью (сентябрь-октябрь) 2010 года. С помощью частотного анализа данных МНЧ выявлены временные интервалы с повышенной энергетикой короткопериодичных колебаний, которые можно интерпретировать как проявление крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), источниками которых являются ВГВ с периодами 1-5 часов. В результате комплексного анализа гелио-геомагнитных. Ионосферных и атмосферных данных, а так же спутниковых данных о ТЦ. Предпринята попытка связать ряд выявленных ПИВ с откликами ионосферы на ТЦ, действовавшие в северо-западной акватории Тихого океана в рассматриваемые временные интервалы. В летние и осенние месяцы, в период активного тропического циклогенеза, отмечено значительное усиление энергетики короткопериодных волновых возмущений на трассах НЗ. Интенсивность наблюдаемых ПИВ уменьшалось по мере удаления средних точек трасс НЗ выявлен различный отклик к западу от потенциальных источников ВГВ. Для анализируемых трасс НЗ выявлен различный отклик ионосферы на протяжение волновых возмущений от одних источников ВГВ. Полученные спектры вариаций МНЧ сигналов НЗ для весенних месяцев, когда циклоническая активность в северо-западной акватории Тихого океана низкая, в спокойных гелио-геомагнитных условиях можно рассматривать как «фоновые». Проведено сравнение «фоновых» спектров со спектрами амплитуд возмущений, полученными в периоды активной деятельности тропического циклогенеза летом и осенью.

Связь между литосферой и ионосферой прослеживается на всем протяжении от земной поверхности (береговой эффект в геомагнитных пульсациях, возмущения атмосферного электрического потенциала над разломами) до стратосферы (формирование и распад облачных структур над геологическими разломами, орографический эффект) и ионосферы (береговой эффект в сияниях, радиоаврора над глубокими разломами, метеорологические эффекты в ионосфере).

Первые сообщения о наличии в ионосфере аномальных явлений, наблюдаемых за несколько дней до сильных землетрясений, появились еще в 60-х годах.

Таким образом, состояние среднего слоя ионосферы имеет одинаковые закономерности, выражающиеся в наличии возмущений в слое в течение суток и более, опускании слоя перед землетрясением и понижении ионизации слоя во время землетрясения. Это также может свидетельствовать об идентичности причин возникновения землетрясений.

Еще далеко невсе понятно и в процессах, протекающих в ионосфере в средних широтах, а также в экваториальных областях. Только сейчас начинают проясняться механизмы воздействия земных и наземных процессов (землетрясения, метеорологические процессы и прочие) на состояния ионосферы. Потребуется еще немало усилий, чтобы создать более или менее законченную картину тех явлений, которые протекают в верхней ионосфере и их связи с процессами в магнитосфере Земли и в околоземном пространстве.

7. Искусственные причины ПИВ (нагрев мощным радиоизлучением, выбросы химически активных веществ, взрывы)

В последние последних 50 лет были проведены многочисленные эксперименты по созданию искусственных плазменных образований в атмосфере и ионосфере, целью которых являлось изучение физических процессов в верхних слоях атмосферы, исследование быстрой или протяженной во времени реакций геофизической среды.

Важное место в активных плазменных экспериментах занимают исследования по модификации ионосферы мощным КВ-радиоизлучением. В высоких широтах средой модификации является авроральная ионосфера, где в естественных условиях наблюдаются интенсивные горизонтальные и продольные токи, высыпающиеся частицы, неустойчивости в плазме и т. д. В связи с этим можно ожидать, что модификация авроральной ионосферы мощным КВ-радиоволнами может привести к генерации новых явлений, принципиально невозможных в средних широтах. В настоящее время в мире для исследований используется шесть нагревных комплексов, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Источник