Моделирование ионосферного альфвеновского резонатора

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Оглавление

  • Введение
  • 1. Строение и свойства ионосферы
  • 2. Радары некогерентного рассеяния
  • 3. Модели ионосферы
    • 3.1 Ионосферные модели IRI-2001 и IRI-2007
    • 3.2 Ионосферная модель ISRIM
    • 3.3 Ионосферная модель UAM
  • 4. Представления о природе шумового фона и образовании ионосферного альфвеновского резонатора
  • 5. Расчет коэффициента отражения альфвеновских волн
  • 6. Результаты наблюдений резонансных структур в обсерватории Баренцбург
    • 6.1 Характеристики индукционного магнитометра
    • 6.2 Представление данных в виде динамических спектров (спектрограмм)
  • 7. Сопоставление наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур спектра
    • 7. 1 Cравнение параметров ионосферы, полученных с помощью ионосферных моделей с данными радара EISCAT
      • 7.1.1 Сравнение электронной концентрации в максимуме F — слоя, полученной из наблюдений радара EISCAT с модельными данными
      • 7.1.2 Сравнение спада электронной концентрации выше максимума F-слоя, рассчитанного по моделям, с наблюдениями
    • 7.2 Сравнение и расчетных частот резонансных структур спектра
  • Вывод
  • Список используемой литературыОшибка! Закладка не определена.

Введение

Ионосферный альфвеновский резонатор (ИАР) — резонатор для волн герцового диапазона, обусловленный наличием максимума электронной концентрации в высотном профиле верхней ионосферы. Проявлением ИАР является спектральная резонансная структура (СРС) электромагнитного шума, наблюдаемого на земной поверхности (рис. 1).

В 1981—1985 гг. г. П. П. Беляев, С. В. Поляков, В. О. Рапопорт и В. Ю. Трахтенгерц теоретически обосновали, а затем и экспериментально доказали существование альфвеновского резонатора [1, 3]. Теория предсказывала существование резонансной структуры в электромагнитном шумовом фоне, который можно наблюдать, например, чувствительными магнитометрами. Эксперименты, поставленные П. П. Беляевым в средних широтах (в районе Нижнего Новгорода), подтвердили высказанные предположения. Согласно теории ИАР характеристики СРС, определяются параметрами ионосферы над точкой наблюдения. Это означает, что по известным высотным профилям электронной и ионной концентрации, можно определить параметры СРС. В представленной дипломной работе будет произведено сопоставление наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур. Для этого были использованы данные индукционного магнитометра обсерватории Баренцбург, наблюдения радара некогерентного рассеяния EISCAT (арх. Шпицберген) и ионосферные модели: IRI-2001, IRI-2007, ISRIM и UAM, а также программа расчета коэффициента отражения альфвеновских волн от верхней ионосферы.

/

38

Рис. 1. Спектрограмма вариаций геомагнитного поля в обсерватории Соданкюля 8 апреля 1996 г.

Резонансная структура шумового электромагнитного фона видна с 15 до 22 UT. Видны также геомагнитные пульсации Pc1 (c 03 до15 UT), PiB и IPDP (с 22 до23 UT).

1. Строение и свойства ионосферы

Ионосфера представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности специфическими свойствами, определяющими характер распространений в ней радиоволн и различных возмущений. Только благодаря ионосфере возможен такой простой и удобный вид связи на дальние расстояния, как радиосвязь. Ионосфера расположена примерно выше 70 км и является ионизированной областью. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что концентрация ионов и электронов в ионосфере распределена по высоте неравномерно, то есть выделяются области (или слои), где она достигает максимальной величины. Ионосфера состоит из нескольких таких слоев, между которыми может не быть резких границ. Их положение и интенсивность изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Основные области могут быть охарактеризованы следующим образом [5]:

D-область — расположена на высоте 60−90 км;

E-область — 105−160 км;

F-область — выше 180 км;

Рис. 2. Типичное распределение электронной концентрации в ионосфере для дневных и ночных условий

Самый верхний слой F отличается максимальной концентрацией электронов. Ночью он поднимается до 300−400 км, а днем раздваивается на слои F1 и F2 с максимальными величинами электронной концентрации соответственно на высотах 160−200 и 220−320 км. Типичное распределение электронной концентрации в ионосфере показано на рис. 2.

Слой F1 существует только в дневное время, сливаясь в ночное время со слоем F2. Выступ F1 в распределении электронов представляет собой максимум ионообразования, а максимум F2 — это максимум электронной концентрации, возникающей в результате совместного влияния химических процессов и диффузии плазмы. Высота слоя F1 понижается днем и растет к вечеру и к утру. Для слоя F2 суточный максимум достигается до или после полудня летом, в то время как зимой приблизительно в полдень. Максимум F2 находится на больших высотах во время периодов повышенной солнечной активности, а также над экватором он выше, чем на других широтах. В дневное время высота слоя F2 уменьшается зимой и возрастает в летние месяцы.

Область Е характеризуется высокой проводимостью поперек магнитного поля, что имеет значение для генерации здесь ионосферных токов, которые в основном определяют магнитные возмущения на земной поверхности.

В изучении ионосферы широко используются ионозонды, принцип действия которых основан на отражении радиоволны от той области ионосферы, где электронная концентрация рассчитывается по формуле для плазменной частоты, которая после подстановки численных значений может быть записана в виде:

,

где fn выражено в килогерцах, а N — в см-3; соответствующая ей высота определяется по времени задержки в предположении, что радиоимпульс распространяется со скоростью света.

Ионозонд способен дать информацию только о слоях ионосферы, в которых электронная концентрация возрастает с удалением от измерительной установки. Наземный ионозонд исследует ионосферу только ниже главного максимума электронной концентрации, спутниковый — только выше. Сам максимум является общей точкой, регистрируемой обеими установками, и может служить для согласования наземной и внешней ионограмм.

2. Радары некогерентного рассеяния

Наиболее полную диагностику ионосферы позволяют осуществлять радары некогерентного рассеяния. Они должны обладать большим энергетическим потенциалом и высокой чувствительностью для обнаружения очень слабых радиосигналов, рассеянных на тепловых флуктуациях ионосферной плазмы. Эффективность метода некогерентного рассеяния обусловлена возможностью одновременного измерения многих параметров ионосферной плазмы, например, электронной концентрации, температуры ионов и электронов, частот столкновений ионов с нейтралами, скорости ионов и в некоторых случаях ионного состава. Радары дают ценную информацию о структуре Е — слоя, который является недоступным для ионозондов.

Радары некогерентного рассеяния — весьма сложные и дорогостоящие установки. Под эгидой Международного Радиосоюза (URSI) с их помощью ведутся регулярные координированные наблюдения. Получаемые при этом экспериментальные данные составляют основу для широкого спектра исследований по cолнечно-земной физике.

/

38

Рис. 3. (а) Высокочастотные радары некогерентного рассеяния в Тромсё, Кируне и Соданкюля

/

38

(б) Низкочастотный радар НР в обс. Тромсё

/

38

(в) Радар Н Р на арх. Шпицберген

С начала 80-х годов на севере Скандинавии работает наиболее совершенная установка некогерентного рассеяния — установка EISCAT (European Incoherent SCATter), построенная силами шести европейских стран (Великобритании, Франции, Германии, Норвегии, Швеции, Финляндии) и Японии. Установка рассчитана на работу в двух частотных диапазонах. Высокочастотный вариант (928,4 МГц) — с основной приемопередающей частью вблизи г. Тромсё, Норвегия (=69,6 N, L = 6,46) и дополнительными приемными пунктами в Кируне (Швеция) и Соданкюля (Финляндия) (рис. 3а). Все пункты снабжены однотипными полноповоротными антеннами диаметром 32 м. Низкочастотная установка (224 МГц) с антенной в виде параболического цилиндра (120×40 м) расположена также вблизи г. Тромсё (рис. 3б). Антенна может наклоняться, меняя угол возвышения основного лепестка. Излучаемая мощность установок некогерентного рассеяния составляет обычно 2−5 МВт в импульсе при средней мощности 0,1 — 0,4 МВт.

В 1996 г. начал работу новый радар в сети EISCAT — Svalbard radar (ESR), расположенный на арх. Шпицберген вблизи г. Лонгйера (Норвегия) (рис. 3в). Благодаря этому радару расширилась зона исследования до высоких широт и появилась возможность проводить наблюдения в области каспа. ESR — двухдисковый однопозиционный (передатчик и приемник совмещены) радар, работающий на частоте 500 MHz. Радар измеряет сигналы некогерентного рассеяния на высотах от средней атмосферы вплоть до верхней ионосферы (высотный диапазон от 70 до > 1000 км).

Обработанные экспериментальные данные, полученные с помощью радаров некогерентного рассеяния, за весь период наблюдений хранятся в общедоступной базе данных в Интернет http: //madrigal. haystack. mit. edu/madrigal/.

Самыми большими недостатками радаров некогерентного рассеяния является их дороговизна и высокое энергопотребление. Поэтому такие измерительные установки достаточно редки, и измерения проводятся ими только в течение коротких промежутков времени.

3. Модели ионосферы

Для решения различных геофизических задач чаще всего прибегают к использованию ионосферных моделей, благодаря которым можно легко рассчитать средний профиль ионосферы для заданного места и времени.

3.1 Ионосферные модели IRI-2001 и IRI-2007

В настоящее время существует множество моделей ионосферы, основанных как на наблюдениях, так и имеющих теоретическую основу, но среди них наилучшей эмпирической моделью признана модель IRI (International Reference Ionosphere). IRI как проект представляет собой эмпирическую модель, основанную на широком диапазоне наземных и спутниковых данных. Одним из самых важных источников данных для электронной концентрации модели IRI является мировая сеть ионозондных установок, которые наблюдают за состоянием ионосферы с 30-х годов XX века. Кроме ионозондов существуют и другие источники данных для развития модели IRI, например, радары некогерентного рассеяния, ракетные измерения и спутниковые данные.

Удобство этой модели заключается в том, что можно рассчитать высотные профили электронной и ионной концентрации для любого места и времени. Она предоставляет информацию о наиболее важных параметрах ионосферы таких как: электронная концентрация, температура электронов и ионов, ионном составе (O+, H+, N+, He+, O2+, NO+, Cluster+) для высотного интервала от 50 до 2000 км. Входными параметрами модели являются дата, сезон, год, координаты места наблюдения (широта и долгота), время для которого необходимо рассчитать профиль, требуемый диапазон высот с произвольно задаваемым шагом.

Авторы модели отмечают, что IRI наиболее точно предсказывает параметры ионосферы на средних и низких широтах и довольно плохо на высоких широтах и в авроральной зоне [7]. Ионный состав модели традиционно был наиболее слабой частью IRI из-за недостатка хорошо откалиброванных глобальных измерений ионной концентрации [7]. Однако модель постоянно совершенствуется, как за счет доработки программного кода, так и за счет расширения базы данных наблюдаемых ионосферных параметров.

Существует довольно много версий модели IRI. Одними из последних являются IRI-2001 и IRI-2007.

IRI-2001 в своей основе содержит несколько встроенных моделей — модели расчета критической частоты F2-слоя ионосферы (CCIR или URSI), модели ионного состава [9] и др. Компьютерная программа, реализующая модель IRI построена таким образом, что пользователь может по собственному усмотрению выбрать любую из предложенных ему встроенных моделей. В некоторых случаях предоставляется возможность использования не только модельных данных, но и собственных (например, пользователь сам может задавать значения критической частоты и высоты максимума F1-, F2-, E-слоев ионосферы, индекса солнечной активности). Программа написана на языке программирования — FORTRAN. Поскольку IRI-2001 — это эмпирическая модель, то есть основанная на реальных данных, которые в данной программе определенным образом аппроксимируются, поэтому в приложении к ней существует файл, в котором содержатся параметры солнечных и ионосферных индексов за период с января 1958 года до наших дней. Данные в нем постоянно обновляются и включают в себя предсказанные значения за 6 месяцев, предшествующих текущей дате.

Недавно появилась новая версия — IRI-2007. В новой версии идеология программы оставлена прежней. Усовершенствован ряд встроенных моделей, которые прежде использовались в IRI-2001, а также внедрены новые, например, модель для расчёта спада электронной концентрации выше максимума F-слоя- NeQuick (модель разработана группой итальянских ученых, возглавляемых С. Радичеллой [8, 11]). Также добавлена новая модель для расчета ионного состава в верхней ионосфере [12]. Сравнение ионного состава полученного по модели IRI-2007 со спутниковыми наблюдениями показало, новая модель (IRI-2007) лучше воспроизводит ионный состав, нежели IRI-2001.

3.2 Ионосферная модель ISRIM

ISRIM (Incoherent Scatter Radar Ionospheric Model) — недавно созданная локальная эмпирическая ионосферная модель, разработанная Жангом и др. [14]. Эта модель основана на многолетниx данных радаров некогерентного рассеяния на 7 станциях: Svalbard (78. FN, I6. 0°E;), Sondrestrom (67. 0°N, 309. 0°E), Tromso (69. 6°N, 19. 2°E), Millstone Hill (42. 6°N, 288. 5°E), St. Santin (44. 6°N, 2. 2°E), Arecibo (18. 3°N, 293. 2°E), and Shigaraki (34. 8°N, 136. 1°E); на основе этих данных были разработаны 7 локальных ионосферных моделей для каждой из указанных станций, которые объединены под общим названием ISRIM. ISR-модель предоставляет информацию о наиболее важных параметрах ионосферы таких как: электронная концентрация, температура электронов и ионов в высотном интервале от 100 до 600 км. (Эта ионосферная модель доступна на сайте http: //www. openmadrigal. org).

Входными параметрами модели являются дата и время (определяющие освещенность ионосферы Солнцем), геомагнитный индекс Ар и характеристика солнечной активности — поток радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см (F10. 7), также следует выбрать станцию, для которой проводятся расчеты.

Для расчетов коэффициента отражения ионосферы мы использовали модель ионосферы, построенную по данным радара EISCAT на Шпицбергене.

3.3 Ионосферная модель UAM

Модель верхней атмосферы Земли (UAM — Upper Atmosphere Model) является глобальной, математической, трехмерной, нестационарной численной моделью, описывающей термосферу, ионосферу, плазмосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему. Модель охватывает диапазон высот от 60 км до 15RE геоцентрического расстояния и учитывает несовпадение геомагнитного и географического полюсов Земли [2].

Входными параметрами модели являются дата, сезон, год, координаты места наблюдения (широта и долгота), время для которого необходимо рассчитать профиль, требуемый диапазон высот.

В модели UAM с помощью численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения непрерывности, движения и теплового баланса), рассчитываются концентрации основных нейтральных (O2, N2, O) и заряженных (XY+, O+, H+ и электронов) компонент верхней атмосферы, температуры нейтрального, ионного и электронного газов, скорости движения заряженных и нейтральных частиц. В совокупности с ними в модели решается уравнение для потенциала электрического поля магнитосферного и термосферного динамо-происхождения.

Расчеты также могут проводиться с использованием ряда эмпирических моделей параметров термосферы, ионосферы и электрических полей или в различных комбинациях теоретических и эмпирических моделей.

В нашем случае для расчетов использовалась версия модели UAM с эмпирической моделью термосферы NRLMSISE-00 [10]. В этой версии модели состав и трехмерная циркуляция нейтрального газа вычисляются по модели MSIS (скорость ветра рассчитывается из уравнения движения, исходя из эмпирических данных о градиентах давления нейтрального газа).

Модель использует переменные шаги интегрирования по координатам и времени, позволяя варьировать пространственные и временные разрешения.

Преимущества модели UAM над другими моделями заключается в том, что модель описывает верхнюю атмосферу Земли как единую систему. Основное отличие этой глобальной модели от других состоит в том, что она рассчитывает совместно не только ветры, ионные скорости, плотности и температуры термосферы и ионосферы, но также параметры плазмосферы, высокоширотной внешней ионосферы, внутренней магнитосферы и электрические поля как магнитосферного, так и термосферного (динамо) происхождения.

4. Представления о природе шумового фона и образовании ионосферного альфвеновского резонатора

Предполагается, что регулярный шумовой фон, содержащий спектральную резонансную структуру, по большей части имеет грозовую природу и в некоторой степени магнитосферные источники. Очаги гроз могут быть как локальными, так и глобальными. Например, наиболее «влиятельный» очаг гроз обнаружен в Африке. Грозовые разряды являются источниками электромагнитных волн, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Возмущение от гроз передаются в высокие широты за счет распространения в волноводе Земля-ионосфера (рис. 4). Добротность этого волновода не велика. Верхняя стенка волновода (она является также нижней стенкой ионосферного резонатора) имеет высокую степень проводимости. В этом слое происходит трансформация одних типов волн в другие, в частности электромагнитных волн в альфвеновские волны.

Рис. 4. Схема формирования ионосферного альфвеновского резонатора и волновода (резонатора) Земля-ионосфера

Альфвеновская волна распространяется вдоль магнитного поля. Скорость ее распространения (альфвеновская скорость) выражается формулой:

(1)

где с — плотность плазмы.

Квадрат альфвеновского показателя преломления:

,

где М — эффективная масса ионов, ni — концентрация ионов, Н0 — напряженность постоянного внешнего магнитного поля.

Из-за того, что скорость альфвеновской волны имеет минимум в области максимума слоя F2, а показатель преломления имеет здесь максимум, альфвеновские волны на частотах меньше 10 Гц могут испытывать отражение, как от Е-области ионосферы, так и от области выше максимума слоя F2, где имеется достаточно быстрый спад концентрации заряженных частиц. Таким образом, из-за наличия характерного немонотонного высотного профиля показателя преломления альфвеновских волн в ионосфере, обусловленного максимумом электронной концентрации в F-слое, формируется резонатор для альфвеновских волн.

Упрощенная модель ионосферы (нижняя стенка ионосферы — слой, толщины h, и экспоненциально спадающая электронная плотность в верхней ионосфере с масштабом l) позволяет получить аналитическую формулу для расчета собственных частот ИАР:

, (2)

где na — альфвеновский показатель преломления в максимуме F-слоя.

Расстояние между гармониками ИАР

(3)

зависит только от ионосферных параметров (na (M*Nemax)½, где M и Nemax эффективная масса ионов и электронная плотность в максимуме F-слоя).

Альфвеновская волна «живет» в ионосферном резонаторе, отражаясь от его стенок и частично проходя через них. Волны, вышедшие из резонатора в области нижней его стенки (Е-слоя), могут быть зарегистрированы на земной поверхности, причем максимальные амплитуды будут регистрироваться на резонансных частотах.

5. Расчет коэффициента отражения альфвеновских волн

Резонансная структура коэффициента отражения альфвеновских волн от ионосферы объясняется влиянием ионосферного альфвеновского резонатора.

Суть расчета коэффициента отражения состоит в том, что ионосфера разбивается на области по высоте: z< h1 (нижняя ионосфера), h1< z<h2 и z> h2 (верхняя ионосфера).

Задается модель альфвеновского показателя преломления:

z> h2: n2 = nA2 {2 + exp[-2(z-h0)]/L} (4)

h1< z<h2: n2= nA2(1+2)=nA2

Здесь nA — альфвеновский показатель преломления в максимуме F-слоя, z — высота, nA ~ 103, h1 200 км, h2 400 км, L 300 400 км, 2 = 10-2 — 10-3.

Область z< h1 характеризуется коэффициентом отражения Ri:

, (5)

где

Здесь с — скорость света, A — альфвеновская скорость в максимуме F-слоя ионосферы, p — интегральная (по высоте) педерсеновская проводимость в нижней ионосфере.

Отношение p/w меняется в пределах от 10-4 (ночью) до 10 (днем). От ночи ко дню A меняется примерно от 300 до 150 км/с.

Для области z> h2 коэффициент отражения представляется в следующем виде:

Re = |Re|exp (ie), |Re| = (6)

e = 2(kAL-(/4))

Формулы справедливы при выполнении неравенств:

kAL > > 1, kAL < < 1.

Зная коэффициенты отражения Re, Ri, можно записать уравнение для собственных частот ионосферного альфвеновского резонатора:

kA(h+L)+i/2-(i/2)ln|ReRi| = (n+¼)

kA=/A, h = h2-h1, Ri = |Ri|ei,

i — фаза коэффициента отражения альфвеновской волны от нижней ионосферы, — частота волны, h — высота, kA — волновой вектор альфвеновской волны.

Отсюда для собственных частот получается:

, (7)

где h = h2-h1, i — фаза коэффициента отражения, n — номер резонанса.

Необходимые для вычисления коэффициентов отражения параметры (интегральная педерсеновская проводимостьё характерный масштаб спада альфвеновского показателя преломления и др. можно рассчитать, если известен высотный ход различных ионосферных параметров, таких как электронная плотность, концентрация различных ионов, частоты столкновений ионов и электронов). Существует алгоритм и программа расчета коэффициента отражения альфвеновских волн от верхней ионосферы (экстремумы этого коэффициента являются хорошим приближением для резонансных частот альфвеновского резонатора), которые были в свое время разработаны А. А. Остапенко и описаны в [4]. В этой модели производится обработка профилей электронной и ионной концентрации для заданного диапазона высот (в нашем случае был рассчитан коэффициент отражения для высот от 60 до 2000 км).

6. Результаты наблюдений резонансных структур в обсерватории Баренцбург

6.1 Характеристики индукционного магнитометра

С 2002 года в обсерватории Полярного геофизического института Баренцбург, которая находится ~740 (арх. Шпицберген) геомагнитной широты, с помощью чувствительного индукционного магнитометра ведется непрерывная цифровая регистрация быстрых вариаций магнитного поля Земли. Частота сбора данных индукционного магнитометра составляет 40 Гц. Чувствительность — порядка 1 пТл. На рисунке 5 приведена амплитудно-частотная характеристики этого магнитометра. Из рисунка ясно, что в широком диапазоне частот при равной интенсивности сигнала отклик системы остается постоянным. Ниже 5 Гц амплитуда уменьшается, но остается достаточной для измерения вариаций интенсивности шумового фона. Данные этого магнитометра были использованы мною для построения суточных спектрограмм, которые были использованы для анализа спектральной резонансной структуры шумового фона. Примеры спектральных резонансных структур, наблюдаемых в Баренцбурге, будут приведены ниже.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика индукционного магнитометра

6.2 Представление данных в виде динамических спектров (спектрограмм)

Представление данных в виде динамических спектров (спектрограмм) осуществлялось при помощи программы PGI Spectrograph, автором которой является Б. Б. Гвоздевский. Принцип работы этой программы основан на Фурье-анализе.

Под Фурье-анализом сигнала s (x) подразумевают, прежде всего, прямое преобразование Фурье, когда переходят от пространственного (временного) представления сигнала к его частному представлению:

,

где i -- мнимая единила; f -- частота гармоники. Такая функция является спектром сигнала. Вещественная часть функции предоставляет амплитудный спектр сигнала, а мнимая -- соответственно его фазовый спектр. Амплитудный спектр представляет собой набор амплитуд гармоник (синусоид, представленных в комплексной форме членом e-ifx), вычисленных в каждой произвольно заданной частоте f. Фазовый спектр -- соответственно набор фаз данных гармоник.

Обратное преобразование Фурье (ОПФ) возвращает исходный сигнал как

На практике удобней представлять сигнал не через его спектральную функцию F (f), а в виде ряда Фурье — бесконечной суммы произведений синусоид е-ijf на коэффициенты Фурье Сj в каждой точке j:

.

Коэффициенты ряда -- комплексные величины и их модули содержат амплитудный спектр. Т. е. непрерывная последовательность точек исходного сигнала заменяется дискретной последовательностью гармоник, представленной рядом Фурье. И вся информация о сигнале содержится в коэффициентах ряда. Собственно процедура, нахождения данных коэффициентов и называется дискретным Фурье — анализом.

При представлении данных в виде динамических спектров (спектрограмм) с помощью PGI Spectrograph, коэффициенты ряда Фурье рассчитываются для последовательности из N измерений, затем производится сдвиг на M точек и операция многократно повторяется. В примере спектрограммы на рис. 7 N=1024, M=256.

Рис. 6. Спектрограмма вариаций геомагнитного поля в обсерватории Баренцбург 25 сентября 2002 г.

7. Сопоставление наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур спектра

На основе данных наблюдений СРС с помощь индукционного магнитометра обсерватории Баренцбург и расчета коэффициента отражения ионосферы по теории ИАР с использование измерений радара EISCAT на арх. Шпицберген было проведено сопоставление наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур.

В качестве промежуточного этапа, для отобранных событий было оценено отклонение ионосферных параметров (спада электронной концентрации выше максимума F-слоя и электронной концентрации в максимуме F-слоя), рассчитанных с помощью ионосферных моделей (IRI-2001, IRI-2007, ISRIM и UAM), от аналогичных измерений радара EISCAT в той же точке наблюдения. По имеющимся профилям были рассчитаны коэффициенты отражения альвеновских волн от верхней ионосферы. Полученные расчетные частоты резонансных структур были сопоставлены с наблюдаемыми и сделаны выводы о том, какая из рассмотренных ионосферных моделей более точно описывает ионосферу для выбранных событий и точки наблюдения и, соответственно, СРС, свойства которых зависят только от параметров ионосферы над точкой наблюдения.

Для упрощения понимания этапов работы приведем план:

1. Ознакомиться с литературой по теории и эксперименту, относящейся к ИАР и РСС.

2. Освоить программу расчета коэффициента отражения (А.А. Остапенко и С. В. Поляков, 1990).

3. Ознакомиться с данными радара EISCAT.

4. Провести отбор событий одновременных наблюдений радара EISCAT и наблюдений резонансных структур индукционным магнитометром в Баренцбурге.

5. Рассчитать высотное распределение параметров ионосферы (электронной и ионной концентрации) по различным ионосферным моделям IRI-2001, IRI-2007, ISRIM, UAM и сравнить полученные результаты с наблюдениями радара EISCAT.

6. Провести экстраполяцию измерений радара EISCAT (электронной концентрации) на большие высоты c помощью модели IRI.

7. При помощи программы А. А. Остапенко и С. В. Полякова произвести расчет коэффициентов отражения и провести сравнение с наблюдаемой резонансной структурой.

На начальном этапе был проведен отбор событий одновременных наблюдений радара EISCAT в Лонгйере (арх. Шпицберген) и наблюдений резонансных структур индукционным магнитометром в Баренцбурге за период с 2002 по 2008 год. Данные радара EISCAT были взяты с сайта http: //www. eiscat. se/madrigal/. Структура этих данных представляет собой: время и дату наблюдений, и высотное распределение электронной концентрации. Основным критерием для отбора послужили хорошо различимые в электромагнитном шумовом фоне СРС и качественные данные радара EISCAT.

В результате были отобраны 2 события: 2 апреля 2004 г. и 10 ноября 2005 г. Примеры спектрограмм флуктуаций геомагнитного поля в диапазоне 0.1 — 5 Гц для этих дней представлены на рис. 7 и 8. На рис. 7 видны различные типы излучений, включая геомагнитные пульсации Рс1 (01−10 UT), РiC (04−15 UT), PiB (00−01 UT). СРС наблюдаются в 17−24 UT. Пример отражает основные особенности морфологии СРС; они наблюдаются в ночные часы и в период, когда активность геомагнитных пульсаций, связанных с геомагнитными возмущениями, понижена [13]. 10 ноября 2005 г. СРС наблюдаются с 16 до 22 UT (рис. 8). (К сожалению, наблюдения индукционного магнитометра до 16 UT для этого дня отсутствуют.)

ионосфера альфвеновский резонатор спектрограмма

Рис. 7. Пример спектрограммы флуктуаций геомагнитного поля в диапазоне 0.1 — 5 Гц, полученной в Баренцбурге для 2 апреля 2004 г.

Рис. 8. Тоже что и на рис. 7, только для 10 ноября 2005 г.

Высотное распределение электронной концентрации для выбранных дней, измеренное радаром некогерентного рассеяния EISCAT в Лонгйере показано на рис. 9 и 10. Для 2 апреля 2004 г. измерения радара есть за целые сутки, за исключением нескольких минут наблюдений в середине дня. А для 10 ноября 2005 г. нет наблюдений радара с 22−24 UT.

К сожалению, данные радара по ионам для этих дней отсутствуют. Это означает, что для расчетов коэффициентов отражения придется использовать ионный состав, рассчитанный по какой-либо ионосферной модели.

Рис. 9. Высотное распределение электронной концентрации для 2 апреля 2004 г., полученное с помощью радара EISCAT на арх. Шпицберген. Белые полосы на рис. 9 означают отсутствие данных

Рис. 10. Тоже что и на рис. 9, только для 10 ноября 2005 г.

7.1 Cравнение параметров ионосферы, полученных с помощью ионосферных моделей с данными радара EISCAT

Поскольку наблюдения радара некогерентного рассеяния носят эпизодический характер и не являются регулярными, в задачах зачастую приходится использовать различные ионосферные модели. Часто выбор определяется удобством и простотой использования модели. Надо отметить, что общепринятых моделей, достаточно хорошо описывающих высокоширотную ионосферу, в настоящее время не существует. Мы хотели посмотреть, какая из известных нам ионосферных моделей покажет наилучшее совпадение с реальной электронной концентрацией, изменяющейся с высотой, наблюдаемой радаром НР.

Для решения нашей задачи использовались 4 ионосферные модели: IRI-2001 и IRI-2007, ISRIM и UAM. Сравнение модельных и реальных параметров было проведено для отобранных событий: 2 апреля 2004 г. (за период 0−24 UT) и 10 ноября 2005 г (c 0−22 UT). Для начала каждого часа (UT) были построены высотные распределения электронной концентрации для радара, и для 4 моделей. На рис. 11 показаны примеры высотных профилей электронной концентрации 4 моделей и радара для 2 апреля 2004 и 10 ноября 2005 г. для 1 UT и 19 UT.

Качественное сравнение построенных профилей носит малоинформативный характер, поскольку, в целом нельзя с полной уверенностью сказать, какая из моделей более точно описывает реальную ионосферу. Так, на рис. 11а электронные концентрации в максимуме F-слоя у моделей IRI-2001 и IRI-2007 является наиболее близкими к радарному значению этого же параметра, в тоже время спад электронной концентрации выше максимума F-слоя для этого UT наиболее точно характеризуется моделью ISRIM. Похожие ситуации (разные параметры одного и того же профиля ионосферы хорошо описываются разными моделями) наблюдаются и для других UT. Единственный однозначный вывод, который можно сделать, анализируя построенные графики, что модель UAM хуже остальных моделей описывает наблюдаемые ионосферные параметры.

Для простоты, сравнение высотных профилей электронной концентрации мы проводили по двум параметрам (согласно теории ИАР они оказывают существенное влияние на возможность наблюдения СРС): электронной концентрации в максимуме F-слоя и спаду электронной концентрации выше максимума F-слоя.

Рис. 11. Высотные профили электронной концентрации для 4 моделей и радара для 2 апреля 2004 и 10 ноября 2005 г. для 1 UT и 19 UT.

Для количественной оценки степени совпадения модельных результатов с экспериментом был произведён расчёт среднеквадратичного отклонения. Сравнение проводилось следующим образом: экспериментальным данным наиболее точно отвечает та модель, у которой значения электронной концентрации наименьшим образом отличаются от значений, полученных радаром EISCAT. Поэтому для каждой модели было рассчитано среднеквадратичное отклонение по следующей формуле:

, где

X — значение сравниваемого параметра радара EISCAT для i-го часа, Xi — значение сравниваемого параметра модели для i-го часа, N — количество часов.

Так, для 2 апреля 2004 г. — N = 25 (т.к. расчёты проводились с 0 до 24 UT), а для 10 ноября 2005 г. — N = 23 (т.к. расчёты проводились с 0 до 22 UT).

7.1.1 Сравнение электронной концентрации в максимуме F — слоя, полученной из наблюдений радара EISCAT с модельными данными

Модельные значения электронной концентрации в максимуме F-слоя были нормированы на величину электронной концентрации в максимуме F-слоя, полученные по радару EISCAT, в каждый момент UT.

На рис. 12 показан график отношения модельной электронной концентрации в максимуме F-слоя ионосферы к реальной (за единицу принята электронная концентрация в максимуме F-слоя в каждый момент UT) для каждого UT для 2 апреля 2004 года. Видно, что в среднем наиболее близкие к наблюдаемым значениям электронной концентрации в максимуме F-слоя дают модели IRI-2001 и IRI-2007.

Такой же результат показывает и расчет среднеквадратичного отклонения значений электронной концентрации в максимуме F-слоя моделей от радара для 2 апреля 2004 г. :

IRI-2001: у = 0, 2459

IRI-2007: у = 0, 2472

ISRIM: у = 0, 351

UAM: у = 0, 4278

Наиболее худший результат демонстрирует модель UAM.

Рис. 12. График отношения модельной электронной концентрации в максимуме F-слоя ионосферы к реальной (за единицу принята электронная концентрация в максимуме F-слоя в каждый момент UT) для 2 апреля 2004 года.

Для 10 ноября 2005 года проведены аналогичные расчеты. На рис. 13 показаны отклонения модельных значений электронной концентрации в максимуме F-слоя ионосферы от радарных данных.

Получены следующие результаты среднеквадратичного отклонения:

IRI-2001: у = 0, 4939

IRI-2007: у = 0, 4912

ISRIM: у = 0, 86

UAM: у = 0, 75

Для этого события модель IRI-2007 даёт наиболее близкие к реальным наблюдениям значения электронной концентрации в максимуме F — слоя. Модель ISRIM показывает наибольшее отклонение.

Рис. 13. Тоже что и на рис. 12, только для 10 ноября 2005.

7.1.2 Сравнение спада электронной концентрации выше максимума F-слоя, рассчитанного по моделям, с наблюдениями

Для оценки отклонения модельных значений параметра спада электронной концентрации выше максимума F-слоя от радарных наблюдений для каждого часа UT было найдено отношение lradar=Ne600 км/Nemax для радара и lmodel=Ne600 км/Nemax для 4-х ионосферных моделей, где Ne600 км-электронная концентрация на высоте 600 км, Nemax— значение электронной концентрации в максимуме F-слоя. После чего каждое значение lmodel, было нормировано на соответствующую величину lradar, в каждый момент UT для каждого события.

На рис. 14 показано отношение модельных величин спада электронных концентраций к значениям спада электронных концентраций, наблюдаемых радаром (за единицу приняты радарные значения спада электронной концентрации выше максимума F-слоя в каждый момент UT) для каждого UT для 2 апреля 2004 года.

Рис. 14. Отношение модельных величин спада электронных концентраций выше максимума F-слоя к значениям спада электронных концентраций, наблюдаемых радаром (за единицу приняты радарные значения спада электронной концентрации выше максимума F-слоя в каждый момент UT) для 2 апреля 2004 года.

Оценка среднеквадратичного отклонения для 2 апреля 2004 г. показала:

IRI-2001: у = 0, 1866

IRI-2007: у = 0, 3356

ISRIM: у = 0, 4956

UAM: у = 0, 9545

Из расчетов и графика видно, что модель IRI-2001 даёт наиболее близкие к наблюдаемым значения спада электронной концентрации выше максимума F-слоя. А модель UAM показывает наихудший результат.

Аналогичные расчеты были проведены для 10 ноября 2005 года. На рис. 15 показаны отклонения модельных значений от радарных данных.

Рис. 15. Тоже что и на рис. 14, только для 10 ноября 2005

Среднеквадратичные отклонения спада электронной концентрации для моделей:

IRI-2001: у = 0, 513

IRI-2007: у = 0, 331

ISRIM: у = 1, 96

UAM: у = 0, 748

Для этого события модель IRI-2007 показывает наиболее близкие к наблюдаемым значения спада электронной концентрации выше максимума F-слоя.

Таким образом, проведенная количественная оценка совпадения модельных результатов с экспериментом для двух событий подтвердила, что ни одна из выбранных моделей не дает 100% совпадения с наблюдениями. Каждая из моделей имеет свои недостатки. К сожалению, мы рассмотрели лишь 2 события, поэтому выявлять какие-то закономерности из такой малой выборки не представляется возможным.

7.2 Сравнение наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур спектра

Для расчета коэффициентов отражения альвеновских волн от верхней ионосферы по программе Остапенко и Полякова необходимо знать: высотное распределение электронной и ионной концентрации в диапазоне 60−2000 км. К сожалению, радар проводит измерения до меньших высот (от 100 до 900 км для 2 апреля 2004 года и от 100 до 700 км для 10 ноября 2005 года), а модель ISRIM рассчитывает значения электронной концентрации только до 600 км. Остальные модели — IRI-2001, IRI-2007 и UAM работают в требуемом диапазоне высот.

Поэтому для выполнения расчетов высотные распределения электронной концентрации радара EISCAT и модели ISRIM для 2 апреля 2004 г. (расчеты КО мы провели только для этого события) были экстраполированы до 2000 км с помощью модели IRI-2001. Выбор модели для экстраполяции был непринципиален, так как на больших высотах электронная концентрация спадает очень медленно и этот спад одинаково хорошо описывали и IRI-2001 и IRI-2007 (модель UAM в данном случае не рассматривали).

Также важно отметить, что ни у радара, ни у модели ISRIM нет данных по ионному составу. Это означает, что для расчетов коэффициентов отражения придется использовать ионный состав, рассчитанный по какой-либо ионосферной модели: IRI-2001, IRI-2007 или UAM. Высотное распределение ионной концентрации этими моделями описывается по-разному. Поскольку нет реальных измерений нельзя сказать какая из вышеупомянутых моделей наиболее адекватна в описании ионного состава.

Таким образом, расчеты КО мы провели для следующих моделей: IRI-2001; IRI-2007; UAM; ISRIM + ионный состав IRI-2001; ISRIM + ионный состав IRI-2007; ISRIM + ионный состав UAM, а также радара: Радар + ионный состав IRI-2001; Радар + ионный состав IRI-2007; Радар + ионный состав UAM.

Расчеты КО проводились за промежутки времени, когда индукционным магнитометром наблюдались СРС (2 апреля 2004 г. с 17−24 UT).

Для сравнения частот наблюдаемой СРС и КО мы рассматривали только первые 4 гармоники.

На рис. 16 и 17 представлены графики коэффициентов отражения, рассчитанные по вышеупомянутым моделям и данным радара для 19 и 22 UT 2 апреля 2004 г. Пунктирной линией показаны частоты первых четырех гармоник (минимумов) на которых наблюдалась в этот день и UT СРС индукционным магнитометром (см. спектрограмму на рис. 7). Рассчитанные коэффициенты отражения радара и модели ISRIM с разными ионными составами для одного UT были нанесены на один график, чтобы показать влияние ионного состава на характеристики КО. Из графиков хорошо видно, что ионный состав оказывает сильное влияние на КО (может измениться глубина модуляции, частоты на которых наблюдаются минимумы/максимумы КО и т. д.).

Для количественной оценки было рассчитано среднеквадратичное отклонение модельных частот КО в минимумах от наблюдаемых индукционным магнитометром частот СРС (пунктирная линия на графике) для каждой из четырех гармоник для всех UT, когда наблюдалась СРС.

Таким образом, получилось, что для каждой модели и радара было найдено четыре величины среднеквадратичного отклонения (по числу рассматриваемых гармоник). Пример расчета среднеквадратичного отклонения КО, рассчитанного по данным радара с ионным составом модели IRI-2001 от наблюдаемых частот СРС для 2 апреля 2004 г. в 17−24 UT приведен в таблице 1.

Из рис. 16, 17 и табл. 1 видно, что чем больше гармоника, тем больше отклонение расчетных частот КО от наблюдаемых. Т. е. наилучшее соответствие между наблюдениями и расчетами достигается на первых двух гармониках.

2 апреля 2004 г.

/

38

19 UT

Рис. 16. Коэффициенты отражения, рассчитанные по моделям и данным радара для 19 UT 2 апреля 2004 г. Пунктирной линией показаны частоты первых четырех гармоник (минимумов) на которых наблюдалась в этот день и UT СРС индукционным магнитометром

2 апреля 2004 г. 22 UT

/

38

Рис. 17. Тоже что и на рис. 16, только для 22 UT.

Таблица 1

Пример расчета среднеквадратичного отклонения коэффициента отражения, рассчитанного по данным радара с ионным составом модели IRI-2001 от наблюдаемых частот СРС для первых четырех гармоник 2 апреля 2004 г. для 17−24 UT

Радар + ионный состав IRI-2001

Значения коэффициентов отражения в 4-х первых минимумах

1 гармоника

2 гармоника

3 гармоника

4 гармоника

17UT

0,36

0,82

1,44

1,98

18UT

0,36

0,8

1,45

1,99

19UT

0,41

0,88

1,59

2,17

20 UT

0,55

1,13

2,15

2,95

21 UT

0,56

1,01

1,6

2,22

22 UT

0,51

1,06

1,85

2,7

23 UT

0,47

0,95

1,6

2,43

Отклонение значений рассчитанных коэффициентов отражения в минимумах от наблюдаемых частот СРС

17UT

0,06

0,14

0,42

0,593

18UT

0,03

0,038

0,34

0,5

19UT

0

0,04

0,32

0,541

20 UT

0,11

0,22

0,82

1,153

21 UT

0,13

0,04

0,21

0,25

22 UT

0,02

0,044

0,41

0,727

23 UT

0,038

0,11

0,155

0,4

Квадраты отклонений

17UT

0,0036

0,0196

0,1764

0,351 649

18UT

0,0009

0,1 444

0,1156

0,25

19UT

0

0,0016

0,1024

0,292 681

20 UT

0,0121

0,0484

0,6724

1,329 409

21 UT

0,0169

0,0016

0,0441

0,0625

22 UT

0,0004

0,1 936

0,1681

0,528 529

23 UT

0,1 444

0,0121

0,24 025

0,16

сумма =

0,035

0,087

1,3

2,97

у =

0,07

0,11

0,43

0,65

< у > = (0. 07 +0. 11 + 0. 43 + 0. 65)/4 = 0. 375

Аналогичные расчеты были проведены и для других моделей и данных радара с иными ионными составами.

Делать выводы по каждой из гармоник в отдельности нерационально, поэтому мы усреднили полученные среднеквадратичные отклонения и получили следующие результаты:

1. Радар + ионный состав IRI-2001: < у > = 0,375

2. Радар + ионный состав IRI-2007: < у > = 0,825

3. Радар + ионный состав UAM: < у > = 1, 1

4. ISRIM + ионный состав IRI-2001: < у > = 0, 5

5. ISRIM + ионный состав IRI-2007: < у > = 0,442

6. ISRIM + ионный состав UAM: < у > = 0,634

7. IRI-2001: < у > = 0,555

8. IRI-2007: < у > = 0, 7

9. UAM: < у > = 2, 86

Сопоставление наблюдаемых и расчетных частот резонансных структур спектра показало, что комбинация высотного распределения электронной концентрации, полученной по радару EISCAT с ионным составом модели IRI-2001 при расчете КО для 2 апреля 2004 г., в целом показывает наиболее близкие значения к частотам резонансной структуры, наблюдаемой на станции Баренцбург. Проделанные расчеты еще раз подтвердили, что характеристики СРС сильно зависят от параметров ионосферы над точкой наблюдения (особенно от высотного распределения электронной концентрации).

Расчеты также показали сильную зависимость коэффициента отражения от ионного состава. К сожалению, нет реальных наблюдений высотного распределения ионной концентрации и поэтому не представляется возможных сказать какая из моделей дает более близкий к наблюдаемому результат по ионам для рассматриваемого нами события.

Вывод

В работе показано, что частоты резонансной структуры, наблюдаемой на станции Баренцбург, хорошо соответствуют частотам минимумов коэффициента отражения, рассчитанного на основе измерений радара EISCAT. Это согласуется с результатами теоретического исследования А. А. Остапенко и С. В. Полякова. И означает, что характеристики СРС действительно отражают состояние ионосферы и могут быть использованы для диагностики ее параметров.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой