Солнечно-земная Физика ИЗМИРАН

По-видимому, наиболее разумно классифицировать результаты наблюдений исходя из представлений об источниках и механизмах генерации низкочастотных волн и колебаний. Несмотря на то, что такие представления далеко несовершенны и часто противоречивы, они, тем не менее, дают возможность перейти от стадии чисто морфологического описания экспериментальных данных к решению конечных задач исследований: созданию физических моделей явлений и их связи с динамикой околоземной среды. По причинам, указанным выше, мы будем основываться главным образом на более информативных данных наблюдений на ИСЗ.

В первую очередь наблюдаемые сигналы можно разбить на две группы:
- собственные излучения околоземной плазмы, возникающие из-за различного рода неустойчивостей неравновесных областей магнитосферы и ионосферы (группа А),
- и волны и излучения, связанные с вторжением в плазму волновых воздействий от земной поверхности (группа Б).
Это эквивалентно обычному разделению на внутренние и внешние источники. Для облегчения восприятия материала примерные динамические спектры основных типов излучений первой группы показаны схематически на рис. 1, тогда как динамические спектры второй группы изображены на рис. 2. Заметим, что в правой части рис. 1 показаны спектры электростатических излучений, не имеющих возможности выйти из плазмы. Условия генерации собственных излучений существенно различаются в зависимости от состояния плазмы. Поэтому выделено три области.

А 1. Излучения в плазмосфере Генерация волн в плазмосфере обусловлена наличием устойчивых конфигураций захваченных в магнитные трубки энергичных частиц (радиационных поясов) и существованием плотной тепловой плазмы (pe > 1) с резкой внешней границей (плазмопаузой), что существенно влияет на условия распространения и генерации волн. В этой области наблюдалось довольно много разных излучений (см. [6]), однако основными являются следующие: А1.1. Плазмосферные (КНЧ) шипения (см. рис. 1, д). (В дальнейшем уточнения в названии излучений, отличающиеся от обычно сокращаемых терминов, будут заключаться в скобки.) Эти шумовые излучения наблюдаются регулярно, рассредоточены по всей плазмосфере с незначительными вариациями по интенсивности. Их обычный частотный диапазон-от сотен герц до 1-2 кГц с максимумом спектральной плотности вблизи 600-800 Гц [32]. Излучение является "захваченным" в том смысле, что волны циркулируют в плазмосфере по замкнутым траекториям, не проникая в ионосферу и к земной поверхности [33]. Обычно предполагают циклотронный или черенковский механизм генерации неравновесными энергичными электронами. Квазилинейное взаимодействие частиц и волн существенно влияет на энергетическое распределение энергичных электронов [34]. А1.2. (ОНЧ ионосферный) НГР-шум (см. рис. 1,б). Это электростатическое шумовое излучение часто наблюдается на высотах верхней ионосферы и имеет резкое обрезание снизу на частоте нижнего гибридного резонанса (НГР) fнг [35, 36]. Происхождение НГР-шума связывают с генерацией высыпающимися из радиационных поясов слабыми, но регулярными потоками энергичных электронов [37] или с индуцированным возбуждением свистящими атмосфериками [38] (см. также В3.4).

А2. Субавроральные излучения Источниками излучений в субавроральной области (4 < L < 7) и вблизи плазмопаузы являются конвектирующие вокруг плазмосферы энергичные частицы, вторгающиеся в эту зону из пограничных областей магнитосферы и солнечного ветра. В процессе вторжения частицы с большими продольными скоростями высыпаются в полярные области и создают там полярные излучения (см. далее), поэтому в субавроральной зоне частицы дрейфуют вокруг Земли вблизи экваториальной плоскости. Основными типами излучений, порождаемых этими частицами, являются следующие: А2.1. (Приэкваториальные) хоровые КНЧ-ОНЧ-излучения (см. рис. 1 в). Они получили свое название из-за характерного слухового восприятия (напоминающего щебетанье большой птичьей стаи) и проявляются на сонограммах как набор восходящих по частоте элементов длительностью 0,1-1 с и скоростью изменения частоты (df/dt) = 103- lO4 c-2. Излучения максимальны вблизи экваториальной плоскости, быстро уменьшаются по амплитуде при удалении от зоны генерации (|Ф|< 15°), имеют обрезание сверху по частоте вблизи локального значения 0,5 fBe и частотный максимум при 0,25 -0,3 fBe [39,40]. Хоры могут проникать на высоты ионосферы вдоль больших градиентов плазмопаузы, особенно в утреннее время, поэтому их появление на земной поверхности контролируется положением плазмопаузы [5, ч. Ill; 41]. Вероятным механизмом генерации хоров является циклотронное излучение электронов с энергиями 10-40 кэВ [40], при этом структуру хоровых элементов можно объяснить задержками в экваториальном дрейфе частиц различных энергий [42]. А2.2. (Приэкваториальные УНЧ-КНЧ) ионно-циклотронные колебания (см. рис. 1 г). Эти электростатические волны наблюдаются вблизи экваториальной плоскости (]Ф| < 2°) на 2 < L, < 7 в диапазоне частот от нескольких герц до 100-300 Гц, что соответствует физическому диапазону2fB,H+ < f < f нг [43]. Излучение имеет полосовую структуру и максимально вблизи плазмопаузы (L =4-5) [44, 45]. Волновые векторы волн поперечны направлению магнитного поля, и по наблюдениям на ИСЗ GEOS-1 (L =5-7) максимум в спектре приходится на 4-8-е гармоники fB,H+. Вероятно, что волны генерируются дрейфующими энергичными протонами ("кольцевым током") и их характеристики хорошо описываются в рамках механизма конусной неустойчивости протонов с энергиями ε = 30-150кэВ [46-48]. А 2.3. КНЧ-шипения (вечерней плазмопаузы). Характеристики и механизмы генерации этого типа излучений подобны характеристикам плазмосферных КНЧ-шипений, поэтому их динамические спектры не показаны на рис. 1. Отличием является лишь то, что данные шипения генерируются вблизи вечернего "выступа" плазмопаузы (L = 4 - 6) и более изменчивы по интенсивности [49].

A 3. Полярные излучения Область существования интенсивных вторжений и высыпаний энергич-ных частиц в ионосферу (зона полярных сияний), а также диффундирующих вверх из полярной ионосферы потоков малоэнергичных частиц ("полярный ветер") характеризуется наиболее мощными излучениями и большим многообразием различных типов электромагнитных и электростатических волн. Основными из них являются следующие:

А 3.1. Полярные (КНЧ) хоры (см. рис. 1д). Эти излучения подобны по структуре приэкваториальным субавроральным хорам, однако развиваются, по-видимому, на более ранней стадии вторжения энергичных электронов и имеют большие значения L области генерации (L > 7), меньшие частоты (~ 1 кГц) и по отношению к экваториальному значению fBe проявляют обрезание в спектре при f < 0,3 fBe [40]. Механизм генерации этих излучений, вероятно, также связан с циклотронным резонансом энергичных электронов А 3.2. Полярные (КНЧ-ОНЧ) шипения (см. рис. 1e). Это шумовое электромагнитное излучение практически постоянно наблюдается в полярной магнитосфере. Его частотный диапазон простирается от нескольких сотен герц до десятков килогерц с максимумом интенсивности на высотах верхней ионосферы вблизи fнг. Вариации амплитуды излучения часто совпадают с изменениями потоков высыпающихся электронов с энергиями е < 1 кэВ [50-52]. Наиболее вероятно, что полярные шипения генерируются потоками этих электронов на черенковском резонансе [53]. A3.3. Квазипериодические (КНЧ) излучения (см. рис. 1ж). Этот тип узкополосных шумов с падающей частотой и квазипериодом повторе-ния 10-100 с может коррелировать или не коррелировать с появлением на Земле геомагнитных пульсаций [54, 55]. Природа излучений до сих пор неясна, однако можно предполагать, что она связана с модуляцией потоков вторгающихся электронов альфвеновскими волнами, которые только в некоторых случаях могут проходить через ионосферу к Земле. A3.4. Излучения (ОНЧ) V-формы и "блюдца" (см. рис. 1э). Эти излучения длительностью в несколько секунд важны, потому что они часто наблюдаются при импульсном вторжении в ионосферу интенсивных потоков энергичных электронов (ε = 3-10 кэВ), приводящих к появлению дискретных форм полярных сияний. Обычно предполагают, что форма V-излучения отражает пространственную конфигурацию электрического поля в области ускорения электронов [56]. Напротив, гораздо большие по длительности "блюдца" (десятки секунд) обычно объясняют генерацией восходящими потоками надтепловых (ε = 5 - 10 эВ) ионов или электронов [50,57]. А3.5. Километровое излучение (см. рис. 1м). Мощные всплески электромагнитного и сравнительно высокочастотного (f = 100 - 300 кГц) излучения такого типа регулярно регистрируются на больших высотах в магнитосфере и за ее пределами. Излучение является уходящим от Земли и не проникает к ее поверхности [58]. По-видимому, оно генерируется потоками высыпающихся электронов на циклотронном резонансе, причем в области генерации f = fBe > fpe. Если так, то излучение возникает на высотах 5-10 тыс. км, где существует минимум параметров плотности (рe < 0,1) и давления (e ~10-3), А3.6. Низкочастотные (УНЧ-КНЧ) электростатические колебания (см. рис. 1к). Всплески электрических колебаний с f < 100 - 300 Гц регулярно наблюдаются в зоне полярных сияний на ИСЗ на различных высотах [56, 59, 60]. Эти всплески объясняются или пересечением ИСЗ мелкомасштабных пространственных зарядовых структур, или токовой генерацией ионно-звуковых или ионно-циклотронных колебаний [61]. А3.7. Ионно-циклотронные колебания (см. рис. 1л). В некоторых случаях полосовая структура электростатических сигналов дает возможность установить наличие гармоник ионно-циклотронной частоты fBi, [56, 62], особенно если наблюдения ведутся на высотах ионосферы и спектр ионно-циклотронных колебаний простирается до 1-2 кГц [62]. Многокомпонентные наблюдения приводят к выводу, что колебания поперечны направлению магнитного поля. А3.8. НГР электростатический шум (см. рис. 1л).. Этот тип электростатических колебаний также часто регистрируется на низкоапогейных ИСЗ и естественным образом генерируется потоками электронов или путем трансформации ОНЧ полярных шипений вблизи частоты f нг [50, 60]. А3.9. Высокочастотные (ОНЧ) электростатические колебания (см. рис. 1н). Они наблюдаются на больших высотах полярной магнитосферы и имеют максимумы спектральной плотности вблизи частоты верхнего гибридного резонанса [63] или гармоник (n + 1/2) f Be [64].

Рассмотрим теперь вторую группу сигналов - излучения от наземных источников.

Б1. Свистящие атмосферики Эти сигналы (см. рис. 2а,б) вызываются молниевыми разрядами в атмосфере Земли. Короткий импульс электромагнитного излучения от молнии (τo < 10-3с) вторгается в ионосферу и в соответствии с уравнениями физики плазмы расщепляется на правополяризованную (электронный свист) и левополяризованную (ионный свист) волны. Первая из них распространяется для частот f < fBe, вторая может распространяться только для f < fBi т.е. в КНЧ-УНЧ-диапазонах частот. Существует два основных способа распространения в магнитосфере электронных свистов (см. рис. 2 а): каналированный и неканалированный. В первом случае траектория волны примерно совпадает с исходной силовой линией, а направление вектора волновой нормали k мало отличается от направления вектора внешнего магнитного поля Во (напомним, что вектор Во направлен по касательной к силовой линии поля), Вследствие этого каналированное распространение называют иногда квазипродольным (ψ << π/2, ψ - угол между k и Во). Такой тип распространения может возникнуть, например, из-за присутствия в магнитосфере вытянутых вдоль определенной силовой линии слабых неоднородностей повышенной коцентрации (ΔN/No << 1). Как показано в [65], в такой структуре (часто ее называют дактом, что является транскрипцией английского слова duct - канал) могут распространяться волны только с малыми ψ (cos ψ > (1 + ΔN/No)-1) и этот случай каналированного распространения называют датированным. Несмотря на то, что такой способ распространения для электронных свистов реализуется по-видимому, достаточно редко, он является важным, поскольку только квазипродольные сигналы могут проходить из магнитосферы к нижней границе ионосферы. Все остальные волны испытывают полное отражение в ионосфере из-за резкого перепада в показателях преломления μ внутри ионосферы (μ= 10 - 100) и ниже ее границы (μ = 1) [4,66]. Таким образом, на земной поверхности могут приниматься только каналированные (дактированные) электронные свисты. Разумеется, они могут приниматься и на ИСЗ. Так, например, на рис. 3 (1.7) показаны как частично-диспергированные свисты, т.е. сигналы, прошедшие по короткой траектории к высотам ИСЗ (h = 1000 км) через ионосферу (первые два спектра), так и каналированные электронные свисты (остальные спектры), прошедшие через магнитосферу к ИСЗ из магнитосопряженного полушария. Вид динамического спектра t(f) таких свистов несет в себе информацию о свойствах среды внутри магнитосферы. На этом основан широко известный свистовый метод диагностики электронной концентрации вблизи экваториальной плоскости магнитосферы [4,67]. В ряде работ показано также, что по t(f) каналированных электронных свистов можно определять вариации магнитосферного магнитного поля ((ΔВо)) [68, 69]. Неканалированные электронные свисты наблюдаются только на ИСЗ и могут проявить самые различные формы динамических спектров, в том числе и растущие по частоте [65, 21]. Поскольку в данном случае неизвестно место исходного вторжения излучения, по ним трудно определить траекторию распространения сигнала и, следовательно, сделать заключения о характеристиках распространения. Заметим, что предельная частота сверху fв электронных свистов, прошедших по магнитосферной траектории, связана с минимальной электронной гирочастотой вдоль траектории fв < fBe, min cosф Для неканалированных свистов /д fBe, min = fBe (Ф =0) - экваториальная гирочастота на траектории. Если измерения проводятся на Земле в средних широтах (Фо = 50 - 55°; L = 2,5 - 3,0), то (см. табл. 1.3) / f < fв = 15 -20 кГц, что и является обычным частотным диапазоном ОНЧ-наблюдений. Ионные свисты (см. рис. 2 б) до сих пор наблюдались только на спутниках. Как правило, регистрируются частично-диспергированные (прошедшие через ионосферу) ионные свисты на низколетящих ИСЗ [70], по динамическим спектрам которых достаточно просто определять ионный состав (ионосферы) в месте регистрации [70, 71]. Поскольку частоты ионных свистов ограничены сверху f < fBi, min , магнитосферные ионные свисты в КНЧ-диапазоне наблюдаются только на низких широтах [72]. Аналогом каналированных ионных свистов на средних и высоких широтах можно считать, по-видимому, микропульсации типа Pс1 ("жемчужины") [73], так как в этой ситуации fBi, min = fBi (Ф =0) < 3 -5 Гц (см. табл. 1.3). Б2. Сигналы ОНЧ-передатчиков Эти сигналы (см. рис. 2 в) регулярно регистрируются на ИСЗ. Каналированные магнитосферные сигналы могут приниматься также на земной поверхности в магнитосопряженной области (МСО) излучателя. Таким образом, по результатам наблюдений таких сигналов можно судить о распространении ОНЧ-волн и их взаимодействии с магнитосферно-ионосферной плазмой. БЗ. Излучения, индуцированные сигналами ОНЧ-передатчиков и свистящими атмосфериками Б3.1. Триггерные излучения (см. рис. 2 г) Эти излучения, так же как и сопровождающие их уширения спектра ОНЧ-сигналов передатчика, по-видимому, возникают в результате взаимодействия этих сигналов с энергичными частицами или электростатическими колебаниями в районе экваториальной плоскости магнитосферы и будут подробно обсуждаться в дальнейшем. БЗ. 2. Дискретные излучения от электронных свистов (см. рис. 2 д) Эти излучения подобны триггерным и генерируются, по-видимому, сходным образом, В случае, когда излучения возбуждаются каналированными электронными свиетами, можно определить, что наиболее часто начальные частоты излучения соответствуют 0,5 fBi, min (квазипостоянные тона) или 0,1 - 0,2 fBi, min (растущие тона) [74, 75]. БЗ. 3. Дискретные излучения (см. рис. 2 е) Этот тип излучений, регистрируемых как на земной поверхности, так и на ИСЗ, генерируется или сигналами передатчиков, или электронными свистами, однако в этом случае исходная волна по каким-либо причинам не фиксируется. Это может случиться из-за большой расходимости траекторий исходной и генерируемой волн и/или из-за повышенного затухания исходной волны. Еще сравнительно недавно дискретные излучения считали собственными, генерируемыми, например, моноэнергичными пучками частиц [76], однако более тщательные исследования привели большинство ученых к заключению об их индуцированном характере [4,75]. БЗ. 4. Квазишумовые излучения от свистов (см. рис. 2 ж) Неканалированные электронные свисты на высотах верхней ионосферы плавно трансформируются в электростатические волны вблизи частоты fнг - таков механизм возникновения среднеширотных НГР-излучений, фиксируемых вслед за динамическими спектрами свистов [35, 36]. Как уже было сказано ранее, некоторые авторы приписывают этому механизму возникновение среднеширотных НГР-шумов даже при отсутствии регистрируемых свистовых спектров [38] (по аналогии с дискретными излучениями). Однако убедительных экспериментальных доказательств данной гипотезы пока нет. В низкоширотной верхней ионосфере, где регистрируются магнитосферные ионные свисты, иногда вслед за ними наблюдаются квазишумовые излучения вблизи частоты межионного гибридного резонанса [77]. Механизм их возникновения подобен механизму генерации индуцированных НГР-шумов. БЗ. 5. Излучение на частоте модуляции наземных KB- и ОНЧ-передатчиков (см. рис. 2 з) В процессе распространения модулированных KB- или ОНЧ-волн (ωo ± Ω, Ω < <ωo) через ионосферу может происходить детектирование, обусловленное нелинейностью ионосферной плазмы, и возникновение излучения на частоте модуляции Ω , Этот эффект по наземным наблюдениям был обнаружен в экспериментах с КВ-радиопередатчиками [78,79] и ОНЧ-передатчиками [80, 81]. Механизм явления и в том и в другом случае связан, по-видимому, с возбуждением ионосферных токов, вследствие чего эффект наиболее значителен в полярных широтах [82], В принципе излучение может проникать из ионосферы не только к земной поверхности, но и в магнитосферу. И действительно, сравнительно недавно такое излучение на частотах модуляции мощного КВ-передатчика в Норвегии (Тромсё) было уверенно зарегистрировано на ИСЗ "Ореол-3" [30]. Детектирование сигналов ОНЧ-передатчиков может возникнуть на нелинейности магнитосферной плазмы. Этот эффект описан в работах [81, 83] и будет подробнее обсуждаться в дальнейшем, Б4. Излучение на гармониках линий отектропередач (см. рис. 2 и) Как известно, линии электропередач (ЛЭП) опоясывают всю земную поверхность и могут рассматриваться в качестве антенн (правда, весьма несовершенных), излучающих частоты 50 и 60 Гц и гармоники этих частот. Излучение может проникать в магнитосферу, и высказан ряд предположений об эффективности его воздействия на магнитосферную плазму, В частности, широко обсуждался эффект "воскресенья',' или "конца недели" [84, 85], когда нагрузка в ЛЭП меняется и, следовательно, можно было бы ожидать 7-дневных вариаций в интенсивности пульсаций магнитного поля, высыпаний частиц, ОНЧ-излучений и т.д. Однако прямые измерения как на земной поверхности, так и на ИСЗ магнитосферных сигналов на гармониках ЛЭП показали, что интенсивность их невелика [86, 87, 30]. Тем не менее допускается возможность, что они могут индуцировать некоторые типы излучений в нестационарной плазме, например хоровые эмиссии [88]. Б5. Излучение от землетрясений и взрывов Этот тип широкополосных шумовых излучений (см. рис. 2 к) обнаружен сравнительно недавно по измерениям на ИСЗ ИК-19, "Ореол-3" и OGO-6 [89 - 91]. Механизм возникновения излучений от промышленных взрывов связан, по-видимому, с трансформацией акустической волны в электромагнитную на высотах ионосферы. В то же время механизм генерации излучений от землетрясений, вероятно, более сложен, поскольку эти излучения появляются не только после, но и за несколько часов до землетрясений.

Таким образом, в околоземной плазме существуют и регистрируются излучения от нестабильных образований внутри нее и излучения от наземных источников. Первые из них обусловлены в конечном счете солнечным ветром и оптическим излучением Солнца, поскольку только эти факторы могут создать нестационарные процессы в плазме. Второй класс излучений, если не учитывать молниевые разряды, является следствием нашей цивилизации. Обычно при анализе динамики околоземной плазмы рассматривают только естественные источники. Между тем, поскольку интенсивнность регистрируемых излучений этих классов сравнима по величине, мы вправе заключить, что по крайней мере для генерации низкочастотных излучений воздействие наземных источников на плазму магнитосферы и ионосферы можно считать не менее важным, чем естественных источников. Мы уже упоминали, что данную проблему начали изучать на примере эффекта "воскресенья". Разумеется, проблема гораздо шире и в ближайшем будущем можно ожидать более сложных методов исследования. Фактический материал настоящей работы имеет непосредственное отношение к проблеме контроля над процессами в околоземной плазме. В заключении монографии мы еще вернемся к этому вопросу. А пока представим простые энергетические оценки, основанные на подсчете среднего потока энергии Р как на внешнюю (от Солнца), так и на внутреннюю границу магнитосферы (от Земли). Конечно, учет доли поглощаемой энергии в магнитосфере ΔРм и в ионосфере ΔРи очень сложен и оценен грубо, но даже с учетом этого результаты оценок, как нам кажется, достаточно интересны. Они даны в табл. 1.5. Оценки коэффициентов прохождения электромагнитной энергии от молний и радиопередатчиков не представляли труда, поскольку неоднократно рассчитывались разными авторами. Эффективность излучения от ЛЭП взята 10~4 (если бы вся энергия от ЛЭП излучалась, то она бы превосходила поток энергии от солнечного ветра), а поток энергии от землетрясений и взрывов в настоящее время оценить трудно, однако, судя по величинам индуцируемых ОНЧ-полей, он не слишком мал. Кроме того, можно вспомнить недавнее открытие Бирфельда, свидетельствующее о воздействии сейсмической активности на процессы в ионосфере [92]. Заметим, что наиболее эффективными средствами воздействия на магнитосферную плазму являются ОНЧ-передатчики, даже если не учитывать, что их воздействие локально и может быть усилено подбором режима работы излучателя.

    литература  --  учебник    ---  СиЗиФ   ---    к оглавлению справочника