Книга: Полярные сияния

Радиосияния

Радиосияния

Мы говорили о том, что полярная ионосфера очень сильно отличается от ионосферы средних широт. Это отличие состоит прежде всего в том, что источник ионизации, которому обязана своим существованием полярная ионосфера, нерегулярен во времени и неоднороден в пространстве. Кроме того, в полярной ионосфере содержатся неоднородности электронной концентрации различных размеров и с различными временами жизни. Все эти особенности полярной ионосферы не могут не сказываться на распространении радиоволн различных диапазонов в высоких широтах.

Так, еще в 30-е годы было обнаружено, что можно установить надежную связь между корреспондентами в Арктике, если радиоволну направлять не на корреспондента, а в направлении севера. Напомним, что радиосвязь в обычных условиях на коротких волнах идет путем зеркального отражения радиоволны от ионосферного слоя. При этом падающая под определенным углом на ионосферный слой и отраженная от этого слоя радиоволна проходят в одной плоскости. Угол падения и угол отражения радиоволны равны. Чтобы отражение радиоволны было зеркальным, надо, чтобы ионосферный слой был достаточно толстым и не содержал неоднородностей электронной концентрации.

В полярной ионосфере ситуация значительно сложнее: там содержатся не только ионосферные неоднородности, но и горизонтальные градиенты электронной концентрации. Поэтому радиоволны не обязательно будут распространяться в плоскости большего круга. Кроме того, появляются различные возможности отражения и рассеяния радиоволн (вперед, назад, под углом к направлению распространения и т. д.). Отсюда проблема распространения радиоволн в высоких широтах очень сложная, чем и объясняется трудность обеспечения там надежной и стабильной радиосвязи, уверенной работы радионавигационных и радиолокационных систем и других установок, использующих при своем функционировании распространяющиеся радиоволны.

Мы не можем здесь рассматривать всю проблему особенностей распространения радиоволн в высоких широтах, а рассмотрим только особенности, которые очень тесно связаны с полярными сияниями.

Радиосияния — это отражение радиоволн от областей в полярной ионосфере, занятых полярными сияниями. Отсюда и термин «радиосияния» наряду с термином «полярные сияния». По крайней мере длительное время считалось, что отражение радиоволн происходит в точности от полярных сияний и радиометодом можно исследовать закономерности самих полярных сияний. В дальнейшем, при более полном изучении явления, оказалось, что связь радиосияний с полярными сияниями более сложная, тем не менее оба явления являются проявлением одного и того же процесса — вторжения потоков заряженных частиц в ионосферу высоких широт.

Профессиональные исследования радиосияний начались сразу же после второй мировой войны. До этого радиосияния интересовали только радиолюбителей, которые успешно использовали это явление для установления радиосвязи со своими корреспондентами.

В 1947 г. на радиолокационной установке, которая предназначалась для исследования метеоров, в ночь с 15-го на 16 августа, были зарегистрированы интенсивные отраженные сигналы. Антенна радиолокатора была направлена в зенит и имела слабую направленность. В зените и на севере в это время были видны полярные сияния. Интенсивность отражения была настолько сильной, что она не могла быть объяснена отражением от областей в зените. Впоследствии было показано, что радиолокатор через боковой лепесток антенны регистрировал частичное зеркальное отражение от плоской поверхности, образованной дугами и драпри полярных сияний, расположенных на севере близ горизонта.

В этих экспериментах была впервые обнаружена главная особенность радиосияний — «ракурсный эффект». Он состоит в том, что независимо от места расположения станции радиолокаторы регистрировали всегда отражение только под малыми углами к горизонту с дальностей 400—1100 км. В северном полушарии эти отражения регистрировались в северном квадранте, а в южном полушарии — в южном квадранте.

Проблема радиосияний распадается на два главных вопроса: 1) чем они вызываются и 2) каковы их основные закономерности и как они связаны с другими геофизическими явлениями — полярными сияниями, ионосферными токами и возмущением геомагнитного поля.

Первое объяснение радиосияний попытался дать С. Чепмен, который полагал, что они происходят от ионосферных неоднородностей, которые вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля. Вначале считалось, что последние непосредственно связаны с лучами полярных сияний.

В соответствии с рекомендацией шестой международной комиссии МАГА под радиоавророй (радиосияниями) в настоящее время «понимается специфический для полярных областей эффект, состоящий в том, что в полярной ионосфере во время магнитных возмущений возникают особые неоднородности электронной концентрации, которые способны интенсивно рассеивать радиоволны КВ, УКВ и СВЧ диапазонов. Особые свойства неоднородностей проявляются в том, что интенсивность рассеянного на них сигнала зависит от угла между нормалью к фронту падающей волны и вектором магнитного поля Земли в точке рассеяния».

Радиолокаторы, ведущие наблюдение за определенными объектами, получают информацию об этих объектах благодаря тому, что излученная локатором радиоволна отражается от этих объектов и попадает обратно в радиолокатор и регистрируется на индикаторе кругового обзора (ИКО) — фактически на экране электронно-лучевой трубки. Если же одновременно с этим полезным отраженным сигналом на экране будет регистрироваться и сигнал радиосияния, то он будет своего рода помехой, потому что разделить и различить их будет трудно.

Именно поэтому радиосияния оказались серьезной естественной помехой работе радиолокационных установок в высоких широтах. Из-за этих помех в ряде случаев нормальная работа РЛС может быть полностью нарушена. Станции обнаружения самолетов, имеющие высокую частоту следования зондирующих импульсов, на втором и последующих ходах развертки будут регистрировать помеху за счет радиосияния.

Особенно опасны радиосияния для станций обнаружения баллистических ракет, у которых диапазон рабочих дальностей перекрывает области радиосияний. Эти станции имеют настолько высокий потенциал, что для них оказываются существенными даже слабые радиосияния. Для того чтобы успешно бороться с этой естественной помехой, надо знать все ее свойства: в каких местах на земном шаре она появляется и как часто, в какое время суток, как зависит частота появления радиосияний от возмущенности геомагнитного поля и солнечной активности и др. Чтобы ответить на эти вопросы, надо знать физические причины радиосияний.

В период Международного геофизического года (МГГ) — 1957—1958 гг. в северном полушарии работало 19 специальных радиолокационных станций, которые были расположены как севернее, так и южнее овала полярных сияний. Среди них были советские станции: Рощино, Лопарская, о-в Диксон, Тикси, Якутск, мыс Шмидта. Работа этой международной сети станций позволила получить большой материал, на основании анализа которого были определены главные свойства радиосияний.

В свое время было установлено, что рассеивание радиоволн происходит не в любом направлении. Радиосияния регистрируются лишь в том случае, когда луч радиолокатора приблизительно перпендикулярен к магнитной силовой линии на высоте 110 км. Это так называемый ракурсный эффект. Он вызывается тем, что авроральные неоднородности (вызывающие радиосияния) представляют собой анизотропные образования электронной концентрации, которые определенным образом ориентированы относительно магнитного поля Земли. Из-за ракурсного эффекта частота регистрации радиоэха существенным образом зависит от конкретных ракурсных условий в данной точке пространства.

Было найдено, что имеются два типа радиосияний: дискретный и диффузный. Дискретные радиосияния имеют вид четко выраженных и резко ограниченных по дальности областей с малой протяженностью. Они регистрируются от рассеивающих образований, вытянутых в вертикальном направлении. Толщина рассеивающей области составляет 10—25 км.

В случае диффузных радиосияний на экране ИКО радиолокатора изображение рассеивающей области выглядит в виде однородного пятна, которое перекрывает значительный диапазон дальностей. Огибающая отраженного сигнала на амплитудном индикаторе в случае диффузных отражений является плавной.

Диффузные радиосияния происходят от областей протяженных по высоте менее чем на 5 км, которые простираются над поверхностью Земли на несколько сот километров.

Радиоотражения в обоих случаях (дискретных и диффузных сияний) происходят на высотах 110 км. Это средняя высота возникновения авроральных неоднородностей. Среднее квадратичное отклонение от этой величины составляет около 5 км.

Кроме указанных двух типов радиосияний, часто наблюдаются также смешанные типы отражений, которые представляют собой наложение диффузной и дискретной радиоавроры. При этом эффективная толщина их определяется большим размером, т. е. дискретной составляющей.

Для понимания физических причин, вызывающих радиосияния, важно установить их связь с другими геофизическими явлениями в этом районе, и прежде всего с сияниями в оптическом диапазоне длин волн.

Исследования этой связи проводились во многих работах и в некоторых случаях были получены противоречивые результаты. Дело в том, что в таких экспериментах имеются определенные трудности. Прежде всего они возникает из-за того, что сложно определить точно область радиосияния. Рассеяние радиоволн неоднородностями происходит на больших дальностях, тогда как радиолучи искривляются средой, в которой они распространяются за счет рефракции в ионосфере и атмосфере. Кроме того, радиоволны излучаются радиолокатором в пределах угла 50°, и поэтому рассеивающая область достаточно большая. Сияния в оптическом диапазоне измеряются фотометрами с углом около 5° и области того и другого сияния не перекрываются. Естественно, что ракурсный эффект накладывает определенные требования на геометрию этих экспериментов. Было зарегистрировано несколько случаев, когда радиосияния и оптические сияния располагались очень близко и даже частично совпадали.

В другом эксперименте (в 14 случаях) большинство радиоотражений располагались близко к узким дискретным оптическим сияниям. Точное положение последних определялось при помощи фотометрических параллаксов. Было установлено, что радиосияния тесно связаны в пространстве и во времени с оптическими сияниями в овале полярных сияний. Однако точное соответствие отсутствует.

В других экспериментах анализировались данные за двухлетний период наблюдений. Было найдено, что по крайней мере в 50% случаев существовала корреляция в пространстве и во времени между оптическими и радиосияниями. В вечернем и утреннем секторах радиоаврора как бы «окантовывает» дуги полярных сияний: утренние дуги окантовываются с приполюсной стороны, а вечерние — с экваториальной.

Наблюдения показали хорошую корреляцию между положением вторгающихся в верхнюю атмосферу электронов с положением радиосияний на ночной стороне. Потоки электронов измерялись приборами на ИСЗ. В дневные часы имелись случаи, когда вторжение электронов не сопровождалось радиосияниями.

Вторгающиеся протоны никогда не вызывали радиосияния.

Приведем основные результаты экспериментов, проведенных с июля по октябрь 1978 г. на антарктических высокоширотных станциях. Радиолокатор располагался на геомагнитной широте 72,3° и долготе 80,62°. Измерения оптического сияния в линии 4278 ? велись фотометром на удалении от радиолокатора в 270 км с таким расчетом, что область оптического свечения попадала в раскрыв антенны радиолокатора. При этом не вся область, которая могла формировать рассеянный радиосигнал, могла просматриваться фотометром, а только ее центральная часть на высоте 110 км. На этой высоте фотометр регистрировал свечение с пятна диаметром 10 км.

Одновременно с оптическими и радиосияниями анализировались и вариации геомагнитного поля.

Эти эксперименты показали, что в начальный период суббури усиливается интенсивность как оптического сияния, так и радиосияния. Колебания горизонтальной составляющей геомагнитного поля с периодами меньше 10 мин хорошо коррелируют с флуктуациями интенсивности радиосияний. При увеличении интенсивности радиосияний горизонтальная составляющая геомагнитного поля уменьшается.

В определенные часы мирового времени интенсивности оптического и радиосияний увеличиваются в разной мере, возможно, вследствие неполного перекрывания областей их возникновения. Такое объяснение может быть приемлемым, если интенсивность радиосияний возрастает намного больше, чем оптических. В обратном случае усиление оптического свечения вызывается усилением потоков заряженных частиц, а неоднородности, вызывающие радиосияния, создаются слабыми электрическими полями.

Эти эксперименты дали интересный результат. Оказалось, что интенсивность радиосияний хорошо коррелировала с интенсивностью оптического сияния до тех пор, пока дуги полярных сияний не достигали станции с фотометром. Когда дуги находились в зените и интенсивность оптического свечения была максимальной, интенсивность радиосияния уменьшалась. Затем при дальнейшем движении дуг корреляция восстанавливалась. Это можно объяснить тем, что электрические поля и токи, связанные с дугами полярных сияний, внутри самих дуг уменьшаются.

Если при слабой активности радиосияния и оптические сияния в основном хорошо пространственно коррелируют, то при сильной активности эта корреляция часто нарушается, за исключением начальной фазы суббури.

Радиосияния вызываются анизотропными неоднородностями электронной концентрации в полярной ионосфере. Как возникают эти неоднородности?

Были проведены сопоставления областей возможного существования авроральных неоднородностей (вызывающих радиосияния), которые определялись по таковой системе с областями, где регистрировались радиосияния. Оказалось, что все основные типы радиосияний можно объяснить действием двухпотоковой и дрейфовоградиентной неустойчивости в ионосферной плазме. Эта точка зрения составляет основу большинства современных работ, в которых объясняются причины радиосияний.