РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ “КОГЕРЕНТНЫХ ЭХО” НА ИРКУТСКОМ РАДАРЕ НР ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ 25 СЕНТЯБРЯ 1998

О.И. Бернгардт, В.Е. Заруднев, А.П. Потехин, Б.Г. Шпынев

Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск

В работе проводится анализ мощности рассеянного сигнала во время геомагнитного шторма 25 сентября 1998 года. Приводится объяснение пространственного и временного хода мощности рассеянного сигнала. Приводятся данные по оценке “угловой чувствительности” неоднородностей, на которых идет рассеяние.

Введение.

Существующие теории рассеяния в авроральной и экваториальной ионосфере предсказывают возникновение в сильно возмущенных условиях неоднородностей, ориентированных вдоль магнитного поля Земли. Такие неоднородности в авроральной и экваториальной ионосфере наблюдались достаточно давно /2,3/. В рамках существующих теорий для возникновения подобных неоднородностей необходимо существование достаточно высокой скорости относительного движения зарядов в среде, превышающей ионнозвуковую скорость /5,6/.

25 сентября 1998 года в области Сибири характеризовалось большой активностью, индекс Kp достигал 9. Во время геомагнитной бури 25 сентября на моностатическом радаре НР ИСЗФ наблюдался аномально высокий уровень рассеянного сигнала (рис.1). Наблюдаемый сигнал превышал по мощности на два порядка обычный уровень НР-сигнала (который на рисунке выглядит в виде волн - эффект Фарадеевских замираний). При этом, из сигнала можно выделить две области - область вблизи 600км. и область вблизи 1100км. Как показал анализ, в нижней области (600км) сигнал с 9:00 по 11:00UT был настолько велик, что превысил динамический диапазон приемников. Верхняя же область(1100км) была измерена без заметных искажений. При этом, в сигнале можно выделить явно выраженную зависимость от времени.

Анализу мощности рассеянного сигнала, объяснению его пространственной и временной зависимости и посвящена данная работа.

Рис.1. Зависимость рассеянной мощности от дальности (вертикальная ось) и времени (горизонтальная ось).

 

1.Объяснение зависимости рассеянной мощности от дальности.

Обычно, аномально высокий уровень рассеянного сигнала связывают с рассеянием на неустойчивостях Е-слоя ионосферы /7/. Это позволяет предположить, что высокий уровень рассеянного сигнала, который наблюдался на радаре НР ИСЗФ, также вызван рассеянием на неоднородностях E-слоя, вытянутых вдоль магнитного поля (рис.2). Рассеяние на таких неоднородностях обладает ракурсными свойствами - рассеянная мощность сильно зависит от угла наблюдения и быстро спадает при отклонении от перпендикулярности к магнитному полю. Таким образом, рассеянный сигнал принимается боковыми лепестками диаграммы направленности антенны с расстояний порядка 500-1000 км и высоты 110 км.

Рис.2..К объяснению геометрии рассеяния от ориентированных по магнитному полю неоднородностей.

Для теоретического объяснения зависимости мощности рассеянного сигнала от дальности использовалась следующая модель рассеивающей среды:

1. Неоднородности вытянуты вдоль магнитного поля и имеют вид струн с продольными размерами, обеспечивающие падение их пространственного спектра по закону 15дБ/град /8/.
2. Неоднородности локализованы в узком слое (толщиной порядка нескольких километров) на высоте 110 км.
3. Такие неоднородности существуют во всем диапазоне широт и долгот.

Радиолокационное уравнение для рассеянного сигнала (с точностью до несущественных констант) бралось в виде:

где -огибающая зондирующего сигнала и диаграмма направленности антенны по мощности, - спектральная функция неоднородностей.

область, в которой сосредоточены неоднородности.

- высота точки над уровнем моря для выбранного .

ASP=15 “угловая чувствительность” неоднородностей, дБ/град.

- угол (град.) отклонения волнового вектора от перпендикулярного к магнитному полю Земли направления.

В теоретических расчетах были использованы - теоретическая диаграмма направленности антенны Иркутского радара, форма зондирующего импульса и международная модель магнитного поля.

Как видно из рис.3, результаты показали достаточно хорошее согласие между теоретическими расчетами зависимости профиля мощности от расстояния и экспериментальными измерениями, что является еще одним аргументом за объяснение сентябрьских профилей, как рассеяния на вытянутых вдоль магнитного поля неоднородностях.

Рис.3. Сравнение теоретического и экспериментального профилей. (горизонтальная ось-дальность, вертикальная - мощность рассеянного сигнала)

Моделирование также показало, что сечение рассеяния для подобного события на единицу объема на 12 порядков больше уровня обычного НР-сигнала. Объединение экспериментальных исследований /9/ по сечению рассеяния и теоретических исследований зависимости сечения рассеяния от частоты /10/ позволяют ожидать примерно 11 порядков превышения (для особо мощных случаев). Следовательно, наши теоретические расчеты показывают хорошее согласие с предыдущими экспериментальными данными (если учитывать, что во всех моделях использовалась только теоретическая информация). Таким образом, основная пространственная зависимость рассеянной мощности от дальности объясняется рассеянием на неоднородностях Е-слоя, вытянутых вдоль магнитного поля Земли.

2.Объяснение временной зависимости рассеянной мощности.

Сравнение временного хода мощности рассеянного сигнала на дальности 1100 км и магнитного поля, измеренного в Иркутске (рис.4), показывает достаточно хорошую корреляцию между Z-компонентой магнитного поля и логарифмом рассеянной мощности (рис.5). Между сигналом с нижней области (600 км.) мы такой хорошей корреляции не увидим, что связано с тем, что сигнал в этой пространственной области превысил динамический диапазон приемных устройств.

Рис.4. Сравнение временного хода Z-компоненты магнитного поля (верхний рисунок) и логарифма рассеянной мощности(нижний рисунок).

Корреляция вертикальной компоненты магнитного поля с рассеянной мощностью можно объяснить с помощью рис.6, на котором приведена ситуация 25 сентября 1998. Наличие в полярном овале сильных электрических полей и токов хорошо известно. Ток в полярной области будет генерировать добавочное магнитное поле, которое в первом приближении можно считать кольцеобразным вокруг области с током и связанным с силой тока линейной зависимостью. Поскольку область наиболее сильного тока была достаточно удалена от Иркутска и находилась на высоте около 110 км., наибольший эффект от поперечного к лучу зрения тока будет наблюдаться в Z-компоненте магнитного поля.

Рис.5. Зависимость Z-компоненты магнитного поля от натурального логарифма мощности рассеянного сигнала.

Это простое рассуждение позволяет связать мощность рассеянного сигнала с током в области, от которой шло рассеяние. Как видно из рис.4, Z-компонента магнитного поля примерно пропорциональна току в области рассеяния. Корреляция между возмущениями магнитного поля и электрического поля уже наблюдалась в экспериментах /11/, поэтому наше предположение не противоречит ни теории, ни эксперименту.

Рис.6. К объяснению связи между магнитным полем и мощностью рассеянного сигнала.

Поэтому пропорциональность магнитного поля и логарифма мощности означает пропорциональность сечения рассеяния току в области рассеяния. Пропорциональность логарифма рассеянной мощности и электрического поля в области рассеяния так же наблюдалась в экспериментах /12/, что подтверждает и наши выводы.

Таким образом, основную зависимость рассеянной мощности от времени можно объяснить пропорциональностью логарифма сечения рассеяния электрическому полю (или току) в области рассеяния.

3.Определение “угловой чувствительности” неоднородностей из пространственно-временного хода рассеянной мощности.

Различные авторы дают различные оценки угловой чувствительности в зависимости, и эти оценки колеблются от 8 дБ/градус до 15 дБ/градус. Для качественного объяснения зависимости рассеянной мощности от дальности мы использовали значение 15дБ.градус. Поскольку точная зависимость мощности от дальности в сильной мере зависит от диаграммы направленности антенны и угловой чувствительности неоднородностей (D.R. Moorcroft, частные беседы), было предложено использовать точную форму профиля мощности для численных оценок угловой чувствительности.

Для количественных оценок были проведены вычисления для определения зависимости мощности от расстояния для различных значений угловой чувствительности (от 2дБ.градус до 40дБ.градус). Методом наименьших квадратов по максимуму, расположенному на расстоянии 1100 км были определены значения угловой чувствительности для каждого момента времени. Результаты расчетов приведены на рис.7. Из рисунка видно, что в менее активную фазу шторма (все время за исключением периода 10:00-11:00UT) угловая чувствительность колебалась в диапазоне 10-15 дБ/градус, в то время, как в максимальную фазу она достигала 25 дБ/градус. Качественно этот факт можно объяснить увеличением пространственного радиуса корреляции неоднородностей, при постоянной амплитуде флуктуаций, которое приводит к одновременному увеличению мощности рассеянного сигнала и увеличению угловой чувствительности. Подобная корреляция наблюдалась ранее для КВ радаров[4].

Рис.7. Оценки зависимости угловой чувствительности от времени(черная линия), и его корреляция с логарифмом рассеянной мощности, горизонтальная ось -время, вертикальная - угловая чувствительность (дБ/градус)

Таким образом, оценки угловой чувствительности показали, что угловая чувствительность во время геомагнитной бури 25 сентября 1998 года составляли в среднем 12дБ/град (что близко к многим экспериментальными результатами /9,13/), а в максимуме возмущения - достигали 25 дБ/градус. Совместно с корреляцией мощности рассеянного сигнала и угловой чувствительности этот факт может быть объяснен, как увеличение поперечного пространственного радиуса корреляции, приводящее одновременно к увеличению мощности рассеянного сигнала и угловой чувствительности.

Заключение

Эффект мощного рассеяния, наблюдаемый во время шторма 25 сентября 1998 года - это рассеяние на неоднородностях, ориентированных вдоль магнитного поля.

Зависимость рассеянной мощности от расстояния объясняется угловой чувствительностью неоднородностей Е-слоя, их ориентированностью по магнитному полю Земли.

Основной временной ход рассеянной мощности вызван изменениями силы тока в области рассеяния, что подтверждается зависимостью логарифма рассеянной мощности от Z-компоненты магнитного поля, измеренного в Иркутске.

Оценки угловой чувствительности неоднородностей дают величину порядка 12 дБ/градус, изменяющуюся во времени и в максимуме возмущения достигая 25 дБ/градус. Это может объясняться увеличением пространственного радиуса корреляции неоднородностей.

Благодарности. Авторы выражают благодарность J.С.Foster и D.R. Moorcroft за оказанную помощь и информативные консультации.

Работа проводилась совместно с при поддержке грантов РФФИ-CRDF “Новые возможности сотрудничества молодых ученых в рамках поддержанных проектов CRDF” #RG1-199 и CRDF #RG1-199.

Литература

1. Дж. Эванс J.V., Proc.IEEE., 57, 496,1969
2. C. Haldoupis, Annales Geophisicae, 7(3),239-258, 1989.
3. Rogister, D’ Angelo, J. Geophys.Res., 75, 3879-3887, 1970.
4. B. Campistron, Y.B. Pointin, F. Lohou, J.-P. Pages, Radio Science, 34(3),667-779,1999.
5. Buneman O., Phys.Rev.Lett., 10, 285-287, 1963.
6. D.T. Farley, J. Geophys. Res., 63, 6083-6087, 1963.
7. C. del Pozo, Ph.D. thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1988.
8. J.C. Foster, D. Tetenbaum, J.-P.St.-Maurice, D.R. Moorcroft, J. Geophys. Res., 97, 8601-8617, 1992.
9. J.C. Foster, D. Tettenbaum, J. Geophys. Res., 96(2), pp1251-1261, 1991.
10. D.R. Moorcroft, J.Geophys.Res.,92(8),8723-8732б,1987.
11. K. Schlegel, in Incoherent Scatter, theory, practice and science,89-120.1997.
12. P.J. Ericson, J.C. Foster, U.S. National URSI Meeting abstracts, 272,1999.

J.A. Keahler, G.J. Sofko, V. Mehta, Rad. Sci., 20, 689-695, 1985.