Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 398-403

ВВЕДЕНИЕ

В 50–60-х годах прошлого века были предприняты первые попытки исследования особенностей выхода к Земле магнитосферных очень низкочастотных (ОНЧ) (от сотен герц до десятков килогерц) излучений, и было введено понятие области выхода, как некой области пространства, в которой волны покидают нижнюю ионосферу [1]. Эти работы были основаны на предположении о регистрируемом у земной поверхности ОНЧ излучении как сумме плоских волн: падающей и отраженной от бесконечно проводящей земной поверхности. Дальнейшие исследования были направлены на определение положения центра области выхода, игнорируя ее пространственные размеры. Для проведения оценок применялись различные методы: а) метод гониометра [1], б) подход, основанный на измерениях азимутального угла вектора Пойнтинга [2], в) метод определения азимутальных углов, свободный от поляризационной ошибки [3]. Отметим, что при этом не учитывались эффекты распространения волн в нижней ионосфере и волноводе Земля–ионосфера.

Авторы работ [4, 5] впервые измерили скорость пространственного затухания и поляризацию магнитного поля магнитосферных ОНЧ излучений по данным наблюдений на сети пространственно-разнесенных наземных станций. Полученные результаты свидетельствовали о том, что волновое поле ОНЧ излучений на земной поверхности пространственно ограничено. Для объяснения этого в работе [6] была предложена двумерная математическая модель области выхода, в которой падающее излучение рассматривалось в виде гауссова пучка волн. Позже на основе этой модели в работе [7] был разработан метод локализации области выхода ОНЧ волн, основанный на сравнении результатов моделирования и экспериментальных данных.

В работе [8] была предложена следующая схема распространения ОНЧ волн от области их генерации к земной поверхности применительно к излучениям типа аврорального хисса. На высотах в несколько тысяч километров вследствие развития черенковского резонанса электронов происходит генерация квазиэлектростатических волн с большими углами волновых нормалей. В результате рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях в верхней ионосфере квазиэлектростатические волны преобразуются в моды электромагнитного типа, способные в дальнейшем выйти в атмосферу и достичь земной поверхности. Заметим, что в таком представлении использование понятия области выхода и ее локализации не имеет под собой физического основания. По результатам наземных наблюдений можно судить только об изменениях положения области выхода, а не о причине этих изменений. Более того, вследствие шумовой природы поля ОНЧ излучений типа авроральный хисс, параметры, определяющие положение области выхода этих волн, изменяются во времени случайным образом, что должно быть охарактеризовано плотностями распределений вероятности этих параметров. Однако широко применяемые сегодня методы используют только средние значения параметров, что снижает информативность наземных измерений.

В данной работе проведено исследование азимутальных углов прихода и поляризации ОНЧ излучений типа авроральный хисс [9, 10] на основании анализа плотности распределения абсолютной величины вектора Пойнтинга по измеренным азимутальным углам в пространственно-разнесенных точках в высоких широтах. Для интерпретации результатов наблюдений и локализации области рассеяния ОНЧ волн выполнено моделирование распространения аврорального хисса от области генерации к наземному наблюдателю с учетом отражений от ионосферы и земной поверхности.

АППАРАТУРА

Регистрация горизонтальных компонент магнитного поля ${{H}_{x}},$ ${{H}_{y}}$ и вертикальной компоненты электрического поля ${{E}_{z}}$ ОНЧ волн проводилась с использованием идентичных систем сбора данных в трех пространственно разнесенных точках – Баренцбург (архипелаг Шпицберген, 78.07° с.ш., 14.21° в.д.), Ловозеро (Россия, 67.97° с.ш., 35.02° в.д.) и Каннуслехто (Финляндия, 67.74° с.ш., 26.27° в.д.) (см. рис. 1б, 1в). Для измерений компонент ${{H}_{x}}$ и ${{H}_{y}}$ применялись рамочные антенны, а для измерения компоненты ${{E}_{z}}$ – вертикальная дипольная антенна. Перед началом наблюдений была проведена тщательная калибровка антенн. Для калибровки использовалось устройство для измерений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) измерительных каналов регистраторов компонент ЭМ поля [11]. Для определения коэффициента передачи магнитных антенн с использованием тороида через их плоскости создавался магнитный поток известной величины. ФЧХ электрической антенны определялась с использованием эквивалента антенны, а АЧХ оценивалась из отношения амплитуд горизонтального магнитного и вертикального электрического поля сигналов, сгенерированных в результате разрядов молний (атмосфериков), на частотах ниже поперечного резонанса волновода Земля–ионосфера. Каждый приемник обладает точной привязкой к мировому времени [12]. Используемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает с частотой дискретизации ~32 кГц. Верхняя регистрируемая частота сигнала составляет 15 кГц. Более подробно особенности регистрирующей аппаратуры описаны в работе [13].

Рис. 1.

Огибающие горизонтальной компоненты магнитного поля ${{H}_{{\tau }}},$ построенные по данным наблюдений в обс. Баренцбург (сплошная линия), обс. Ловозеро (штриховая линия) и Каннуслехто (штрих-пунктирная линия) (а); распределения плотности потока энергии по азимутальным углам прихода $p\left( \varphi \right)$ вместе с усредненными индексами круговой поляризации ${{P}_{c}},$ рассчитанные для интервалов 1) 19:04–19:05 UT и 2) 19:34–19:35 UT (б).

МЕТОД АНАЛИЗА

Для построения амплитудных вариаций компонент поля ${{H}_{x}},$ ${{H}_{y}}$ и ${{E}_{z}}$ аврорального хисса использовался полосовой фильтр с центральной частотой ${{f}_{0}},$ выбранной вблизи максимума интенсивности этих излучений и равной ~8500 Гц, и шириной полосы пропускания ${{f}_{{{\Delta \omega }}}},$ равной 1000 Гц.

Особенности генерации и распространения аврорального хисса исследовались по результатам анализа распределения плотности потока энергии по азимутальным углам прихода $p\left( \varphi \right)$ и индексу круговой поляризации магнитного поля ${{P}_{c}}.$ При расчетах $p\left( \varphi \right)$ использовалось предположение об эргодичности шума, при этом распределение по ансамблю реализаций заменялось распределением по времени [14]. Расчет усредненного индекса круговой поляризации ${{P}_{c}}$ был выполнен по методике, описанной в работе [15]. Индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ принимает значения от –1 до 1. Значение ${{P}_{c}} > 0$ означает, что вектор магнитного поля вращается в том же направлении, что и электроны в магнитном поле, и поляризация правая. При ${{P}_{c}} < 0$ вращение происходит в обратном направлении и поляризация левая. Если $\left| {{{P}_{c}}} \right| = 1,$ вектор магнитного поля описывает окружность и, соответственно, поляризация круговая. При ${{P}_{c}} = 0$ поляризация линейна. Мгновенные значения индекса ${{P}_{c}}$ мало изменяются во времени, поэтому далее распределение ${{P}_{c}}$ не рассматривалось.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Мы использовали численную модель распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности, разработанную нами в работе [14]. Эта модель включает рассмотренное в работе [8] распространение ОНЧ волн в отсутствие дактов – областей, вытянутых вдоль линий магнитного поля, с повышенной или пониженной концентрацией заряженных частиц. В потоке электронов, пространственно-ограниченном гауссовой функцией, происходит генерация квазиэлектростатических волн. Область, занятая мелкомасштабными неоднородностями, на которых происходит рассеяние квазиэлектростатических волн, задается гауссовой плотностью распределения вариаций электронной концентрации ${{N}_{e}}$ снулевым средним и стандартным отклонением в 1–10% от ${{N}_{e}}$ и пространственной корреляционной функцией с радиусом корреляции порядка нескольких десятков метров в горизонтальной плоскости. Для описания рассеяния волн используется борновское приближение [16]. Расчет распространения квазиэлектростатических волн от области генерации до области рассеяния и рассеянных волн до земной поверхности проводится в приближении плоскослоистой среды путем решения волнового уравнения в каждом слое. Для поиска решения используется полно-волновой метод [17]. Модель ионосферы взята из работы [14].

АНАЛИЗ УГЛОВ ПРИХОДА И ПОЛЯРИЗАЦИИ АВРОРАЛЬНОГО ХИССА

В качестве примера рассмотрим один из типичных случаев наблюдения всплесков аврорального хисса 3 февраля 2019 г., зарегистрированных на станциях Баренцбург (BAB), Ловозеро (LOZ) и Каннуслехто (KAN) в 18:30–20:00 UT. На рис. 1а показаны рассчитанные огибающие, т.е. временные вариации горизонтальной компоненты магнитного поля ${{H}_{{\tau }}} = \sqrt {H_{x}^{2} + H_{y}^{2}} ,$ аврорального хисса в выбранной полосе частот. С 18:50 до 19:17 UT всплеск аврорального хисса наблюдался только в BAB, а с 19:25 по 19:50 UT отмечалась последовательность похожих всплесков на всех трех станциях.

На рисунке 1б приведены карты распределений $p\left( \varphi \right),$ рассчитанных для двух интервалов 19:04–19:05 UT и 19:34–19:35 UT, вместе с усредненными за эти интервалы значениями индекса круговой поляризации магнитного поля ${{P}_{c}}.$ По данным наблюдений в BAB в первом интервале индекс круговой поляризации был равен 0.3, а максимум распределения $p\left( \varphi \right)$ указывал на юго-запад с разбросом по углам около 30–40 градусов (рис. 1б). Правая круговая поляризация аврорального хисса свидетельствовала о том, что рассеянные волны распространялись в ионосфере к Земле на так называемой моде вистлеров [18], моде электромагнитного типа, способной выйти в атмосферу и достичь земной поверхности. После выхода волн из ионосферы, за счет отражений от Земли и от анизотропной ионосферы, правая круговая поляризация трансформировалась в линейную. Небольшие положительные значения индекса круговой поляризации позволили предположить, что проекция области рассеяния на земную поверхность находилась на расстоянии порядка 300–400 км от ВАВ в направлении на юго-запад. Отсутствие излучений в LOZ и KAN, по-видимому, вызвано большим затуханием при распространении волн в волноводе Земля–ионосфера.

Начиная примерно с 19:25 UT, всплеск аврорального хисса наблюдался во всех трех точках (интервал 2 на рис. 1а). Максимум распределения $p\left( \varphi \right)$ в BAB (рис. 1б) указывал на юго-запад с меньшим, чем в интервале 1, разбросом по углам в 10–15 градусов, а индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ был равен 0.19. Следовательно, практически линейно поляризованные волны приходили в точку наблюдений с юго-запада. В KAN максимум распределения с разбросом около 40–50 градусов указывал на запад-юго-запад. Индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ был равен 0.48, т.е. поляризация волн была правой эллиптической. Распределение $p\left( \varphi \right)$ в LOZ имеет значительно меньший разброс по углам, а его максимум указывает также на запад-юго-запад. Поляризация магнитного поля близка к линейной – ${{P}_{c}}$ = 0.18.

ОЦЕНКА ПОЛОЖЕНИЯ РАССЕИВАЮЩЕЙ ОБЛАСТИ

Для объяснения результатов наблюдений было проведено моделирование распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности, в предположении что область рассеяния волн находилась на высоте ~2000 км. Использовались параметры ионосферы, соответствующие 3 февраля 2019 г. 19:00 UT. Для того, чтобы воспроизвести наблюдаемые на станциях распределение $p\left( \varphi \right)$ и индекс круговой поляризации ${{P}_{c}},$ мы подбирали положение и поперечный размер области рассеяния. Максимум двумерной гауссовой функции, описывающей форму области рассеяния в проекции на плоскость, параллельную земной поверхности, и область генерации квазиэлектростатических волн, расположенная значительно выше области рассеяния, находятся на одной силовой линии геомагнитного поля.

Результаты моделирования для интервала 1, наилучшим образом описывающие результаты измерений, приведены на рисунке 2. В пределах засвечиваемого на земной поверхности “пятна”, где наблюдается наибольшая интенсивность поля (рис. 2а), направления, обратные направлению усредненного вектора Пойнтинга, указывают на максимум интенсивности. Индекс круговой поляризации в пределах “пятна” положителен и близок к единице, что свидетельствует о выраженной правой поляризации магнитного поля. Положение “пятна” и проекции на земную поверхность области рассеяния не совпадают вследствие отклонения силовой линии магнитного поля от вертикали. При удалении на 400–500 км от центра “пятна” наблюдается резкое уменьшение интенсивности поля, отклонение вектора Пойнтинга от направления на максимум интенсивности здесь может составлять 30–40 градусов, поляризация сменяется сначала на линейную, а затем на левую. Размер области рассеяния составляет около 100 км. Эта величина и положение области рассеяния оценены при сравнении полученных при моделировании распределения $p\left( \varphi \right),$ индекса ${{P}_{c}}$ и интенсивности магнитного поля в KAN и LOZ относительно ВАВ с результатами измерений. Отметим, что в этом случае модель предсказывает значение интенсивности магнитного поля в KAN и LOZ на 15–17 дБ ниже, чем в ВАВ. В реальных условиях эта величина сравнима с интенсивностью шума волновода Земля–ионосфера, что объясняет отсутствие всплеска аврорального хисса в KAN и LOZ.

Рис. 2.

Модельные распределения на земной поверхности горизонтальной компоненты магнитного поля ${{H}_{{\tau }}}$ и индекса круговой поляризации магнитного поля ${{P}_{c}}$ вместе с распределениями $p\left( \varphi \right)$ (рисунки справа), полученные для интервала 1 (а, б) и интервала 2 (в, г). Знак “+” показывает центр засвечиваемого на земной поверхности пятна, знаком “×” обозначена широта, на которой происходит генерация электростатических волн, штриховой линией показана проекция области рассеяния на земную поверхность; стрелками обозначено направление, обратное направлению усредненного вектора Пойнтинга.

Результаты моделирования для интервала 2 показаны на рис. 2в, 2г. Величины $p\left( \varphi \right)$ и ${{P}_{c}}$ и отношение интенсивностей ОНЧ излучений в KAN и LOZ удалось воспроизвести с приемлемой точностью при положении рассеивающей области, представленном на рис. 2в, 2г. Однако, нам не удалось подобрать положение и размеры единственной рассеивающей области, при которых результаты моделирования соответствовали бы измеренным на всех трех станциях величинам. Можно предположить, что в интервале времени 2 на станциях KAN и LOZ регистрировался сигнал от одной рассеивающей области, а на станции BAB – от другой. Синхронное начало всплесков в 19:25 UT свидетельствует о том, что выходящие к наземному наблюдателю ОНЧ волны образовались в результате рассеяния единственного пакета электростатических волн на двух или нескольких кластерах неоднородностей.

ВЫВОДЫ

Выполнен анализ одновременных наблюдений аврорального хисса 3 февраля 2019 г. в трех пространственно-разнесенных точках – обс. Баренцбург (архипелаг Шпицберген), Каннуслехто (Финляндия) и обс. Ловозеро (Россия). Обнаружены случаи, когда излучения регистрировались только в обс. Баренцбург и случаи, когда всплески аврорального хисса наблюдались на всех трех станциях одновременно. Проведена интерпретация полученных результатов с использованием разработанной нами модели [14] распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности. Показано, что всплеск аврорального хисса, наблюдаемый только в обс. Баренцбург в 18:50–19:17 UT, по-видимому, обусловлен существованием рассеивающей области относительно небольших размеров к юго-западу от точки наблюдений. Появление всплесков аврорального хисса одновременно на всех трех точках в 19:25 UT, может быть результатом одновременного существования двух рассеивающих областей мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, расположенных на разных широтах.