автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Радиозондовые исследования среднеширотного слоя Es во взаимосвязи с атмосферными волновыми процессами

КАЗАНСКИЙ ГОСНДАРСТВЕННЬИ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АКЧУРИН Адель Джавидович

РАДИ030НД0ВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СРЕДНЕШИРОТНОГО СЛОЯ Е3 ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ ВОЛНОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Специальность 05.12.01 - Теоретические основы радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ - 1997

Работа выполнена в Казанском государственной университете

?^чный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Минуллин Р. Г.

Консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Шерстюков 0. Н.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Иванов В. А. доктор физико-математических наук, Фахрутдинова А. Н.

Ведущая организация:

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук (ИЗМИРАН)

Защита диссертации состоится " (-> " 1997г. в '7 час.

в ^¿ауд. Физического факультета на заседании специализированного совета Д053.29.05 по специальности 05.12.01 - теоретические основы радиотехники в Казанском государственном университете

Адрес: 420008, Казань, ул.Кремлевская, 18

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н. И. Лобачевского Казанского государственного университета

Автореферат разослан " ¿^/^¿'М 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. тех. наук

Бухмин В. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наибольшие трудности при прогнозировании условий распространения радиоволн вызывает такое нерегулярное явление как спорадический слой Еэ. И хотя на основе продолжительных статистических данных проводится долгосрочный прогноз параметров этого слоя, их краткосрочный прогноз не возможен. Трудно прогнозируемыми являются время появления, длительность существования и величина электронной концентрации в максимуме слоя, часто превышающая летом электронную концентрацию главного ионосферного слоя Г и обеспечивающая прохождение радиоволн КВ и УКВ диапазонов. Поэтому изучение изменений параметров среды распространения радиоволн, учитывающих появление Еэ-слоев, является на сегодняшний день актуальной задачей.

В данной работе изучается наиболее сложный и непонятный среднеширотный слой Еэ, так как на сегодняшний день для него в отличие от полярного и экваториального не найдены даже физические факторы или условия, которые либо предшествуют, либо сопутствуют образованию интенсивных Ез-слоев. Отсутствие четкой интерпретации процессов образования и существования слоя Еэ объясняется рядом причин, среди которых основными являются^

1) многообразие Физических явлений, влияющих на образование и существование слоя Еб;

2) отсутствие возможности проведения продолжительных непосредственных экспериментальных наблюдений свойств слоя Ег в высотном интервале 85-140 км с помощью летательных или воздухоплавательных аппаратов, и средствами ракетной техники. Поэтому наибольшее распространение получило радиозондирование (на различных частотах) как с поверхности Земли, так со спутников;

3) случайность появления Ег-слоев, сильно затрудняющая выполнение комплексных дорогостоящих экспериментов (например, с проведением ракетных пусков или с использованием радаров некогерентного рассеяния, излучающих сигналы с большой мощностью > 500 кВт);

4) отсутствие прямой зависимости параметров среднеширотных Ег-слоев от уровней гелио- и геомагнитной активности и невозможность ведения разносторонних продолжительных непосредственных измерений параметров физико-химической обстановки в высотном интер-

вале 85-140 ки, которые предполагают вычисление оценок этих параметров косвенным путем.

Необходимость изучения Ег-с-лоев диктуется не только чисто научными соображениями, но и интересами практической КБ и УКВ радиосвязи. Это связано с тем, что в летнее время электронная концентрация Ег-слоев может обеспечивать радиосвязь в УКВ диапазоне на расстояниях до 1800 км или приводить к полному исчезновению сигнала на связной трассе из-за экранирования.

Наиболее распространенной теорией, объясняющей существование Ег-слоев на средних широтах, является теория ветрового сдвига. С ее помощью удалось связать наличие полусуточных вариации РЕэ с полусуточными вариациями скорости ветра (приливами) в нижней термосфере, которые в данной области атмосферы имеют наибольшую амплитуду. Однако при более детальном рассмотрении тер-мосферного ветра и высотного расположения Ег-слоев был выявлен ряд противоречий между высотной и широтной структурами приливов и вертикальным перемещением (спусков) Ег-слоев на разных широтах. Кроме того, сильные межсуточные изменения как среднего значения РЕг, так и его полусуточной гармоники не удается объяснить только межсуточными вариациями скорости преобладающего ветра и амплитуды приливов.

Наличие более короткопериодных, чем полусуточные, колебаний скорости ветра может быть связано прохождением внутренних волн нетермического происхождения. Однако невысокая надежность данных наблюдений ветра выше 108 км не позволяет выделять такие колебания. Поэтому необходимо провести анализ взаимосвязи вероятности появления Ег-слоев и метеорологической обстановки в нижней атмосфере, являющейся основным источником внутренних волн. Эти волны оказывают значительное воздействие на многие процессы в нижней термосфере (циркуляцию, термобарический режим и т.д.). В случае обнаружения такой связи можно будет говорить, с одной стороны, о существовании "метеорологического контроля" слоя Ег по типу того, что установлен для слоя Б, а с другой - о нахождении процессов в атмосфере, способствующих появлению Е3-слоев на средних широтах.

Исследование всех указанных выше проблем позволит постепенно перейти к краткосрочному прогнозу частотных параметров Ег-слоев, основанному на изучении метеорологической обстановки различных слоев атмосферы, а в дальнейшем, и к созданию адекват-

ной Физической модели Es-слоев, учитывающей сезонно-суточные вариации ветра в мезосфере и нижней термосфере.

Целью диссертационной работы является: исследование взаимодействия различных явлений в нижней и средней атмосферах С циркуляции, приливов, внутренних волн) с образованием и существованием Es-слоя и объяснение наблюдаемой квазирегулярной суточно-се-зонной изменчивости параметров этого слоя под их воздействием.

Решение этой проблемы требует выполнения разносторонних экспериментально-теоретических исследований. При этом необходимо решить следующие задачи:

-провести комплексные эксперименты по одновременному измерению параметров слоя Es С с помощью ионозонда) и ветра в нижней термосфере (с помощью метеорного радара);

-исследовать взаимосвязь суточно-сезонных изменений параметров Es-слоев с вариациями основных составляющих ветра в нижней термосфере путем: а) сопоставления результатов одновременных наблюдений и б) выполнения численного моделирования;

-выделить воздействие тропосферной погоды на слой Es путем сравнения вероятности появления Es-слоев с синоптической обстановкой, определяемой по ежедневным метеорологическим картам на территории возле пункта вертикального зондирования;

-изучить роль стратосферы в сезонной изменчивости частотных параметров Es-слоев путем сравнения дат смены стратосферной циркуляции и дат смены Es-слоев с высокими значениями предельных частот foEs на низкие, и наоборот.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые установлены условия образования Es-слоев с высокими значениями предельной частоты foEs, связанные с параметрами преобладающего ветра, приливных движений в нижней термосфере;

2. На основе экспериментального наблюдения и численного моделирования в рамках теории ветрового сдвига предложено объяснение "сверхбыстрых" спусков Es-слоев под действием полусуточного прилива на высотах выше 120 км;

3. Впервые обнаружена зависимость вероятности появления Es-слоев с высокими значениями предельных частот foEs от нарушения зонального переноса в тропосфере, связанного с установлением блокирующих образований определенной Формы;

4. Впервые установлено, что даты перехода от "летних"

Е5-слоев С с высокими среднесуточными значениями ГоЕг) к "зимним" Сс низкими значениями ГоЕг), и наоборот, и даты весенней и осенней перестроек в стратосфере в широтной зоне 35-50" N примерно совпадают. - ■ •■

Практическая значимость работы. Найдены экспериментальные зависимости вероятности появления Ев-слоев с высокими значениями предельной частоты ГоЕэ от направления и скорости ветра в нихйей термосфере, от направления ветра в стратосфере и от расположения областей с неустойчивым зональным переносом 7 в тропосфере. Это позволяет найти объяснение сильной межгодовой изменчивости этого частотного параметра Ег-слоев и создает условия для разработки Физической теории слоя Е2 и краткосрочного прогноза условий распространения радиоволн КВ и УКВ диапазона за счет слоя Ее.

Основная часть работы была выполнена в соответствии с планами: гранта РФФИ (тема "Взаимодействие динамики термосферного ветра на нижнюю ионосферу", N 94-05-16090а, 1994-96 гг. ); программы "Университеты России" государственный комитет РФ по высшему образованию (темы "Разработка перспективных дистанционных методов и средств диагностики состояния ионосферы", N госрегистрации 01910050058, 1991-95 гг.; "Динамика спорадического слоя Е и распространение радиоволн", шифр ВГМ-3, 1992-93 гг.). Исследования также проводились в рамках хоздоговорных работ: ОКР "Разработка аппаратуры ионосферной станции вертикального и наклонного зондирования "Вертикаль С1" СЦиклон-9]", шифр "Вертикаль С1-КГУ", заказчик - ВЦКБ "Полюс", 1991-94 гг.; НИР "Исследование и разработка программно-аппаратных средств для автоматической обработки информации", шифр "Тракай-2МС-КГУ", заказчик НИИССУ, 1991--94 гг.; НИР "Толмогорка" 1988-89 гг., заказчик ИЗМИРАН.

Реализация результатов работы.

Результаты аппаратурных разработок, бдоли .использованы при изготовлении ионосферного комплекса "Вертикаль-С" Воронежским ЦКБ "^рлюс",,,.Комплекс., рошел государственное, испытания,подготовлен к тиражированию^, имеется, .акт,,внедрения.,.. ^ .,','„,, ... т

Результата, исследований слоя Ез- .были, использованы ,при ,разр$-брткег, системы.,двдоматчесяо.й.7. ,обработки.,. монограмм, вертикального зондирования с последующей идентификацией ионосферных слоев (в том числе и слоя Еб). Эта система обработки была создана для двух различных ионозондов ("Циклон", "Бизон") и передана в НИИССУ,

имеются акты внедрения.

Полученные результаты были включены в отчеты по итогам выполнения различных международных исследовательских программах MAC (1986-88 г.), STEP (1990 г.), GL0BMET (1987-88 гг.), а также были использованы в учебном процессе кафедры радиоастрономии при выполнении курсовых и дипломных работ.

На защиту выносятся результаты исследований: взаимосвязи вероятности появления Es-слоев с высокими значениями foEs с различными элементами тропосферной погоды;

взаимосвязи вероятности появления Es-слоев с высокими значениями foEs с блокирующими образованиями в летней тропосфере;

воздействия сезонно-суточных вариаций основных составляющих ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере (преобладающего ветра и полусуточного прилива) на сезонно-суточные вариации параметров Es-слоев;

спусков Es-слоев под действием полусуточного прилива, происходящих на высотах выше 120 км в утреннее и вечернее времена путем анализа экспериментальных данных и численного моделирования;

взаимосвязи сроков перехода от "летних" Es-слоев с высокими среднесуточными значениями foEs к "зимним" с низкими значениями, и наоборот, со сроками весенне-осенних перестроек в стратосфере, нижней термосфере.

Достоверность результатов определяется большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных, использованием стандартных методов обработки средствами математической статистики, высокой повторяемостью результатов измерений в течение нескольких лет, совпадением результатов интерпретации экспериментальных данных с теоретическими представлениями, хорошим согласием результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными как нами, так и другими авторами.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации изложены в 25 опубликованных работах, были представлены и обсуждались на XV, XVI, XVII, XVIII Всесоюзных (Всероссийских)-конференциях по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987; Харьков, 1990; Ульяновск, 1993; С.-Петербург, 1996); на втором Международном симпозиуме по программе Globmet (Казань, 1988); на Десятом Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (Казань, 1990); на XXIV, XXV Генеральных Ассамблеях URSI (Киото, Япония, 1993;

- о -

Лилль, Франция, 1996); на XXI Генеральной Ассамблее 1ШС (Боулдер, США, 1995); на XXXI Научной Ассамблее СОЭРАИ (Бирмингем, Англия, 1996); а также на научных семинарах и конференциях Казанского государственного университета (1987-1996 гг.).

Личный вклад автора. Автором разработаны и изготовлены передающее устройство ионосферного комплекса "Циклон" и калоинерцион-ный усилитель промежуточной частоты для приемного устройства. Он принимал непосредственное участие в наблюдениях Ег-слоев на ионосферном комплексе "Циклон", в обработке и интерпретации полученных на нем экспериментальных данных. Им был проведен сравнительный анализ параметров (полученных другими исследователями) ветра в нижней термосфере с параметрами спуска Ег-слоев за 1987-89 гг. Автором был составлен и реализован алгоритм численного моделирования "сверхбыстрого" спуска Еб-слоя под действием полусуточного прилива на основе интегрирования уравнения непрерывности. Были проанализированы метеорологические карты барической топографии за 1986-89 гг. и были найдены тропосферные синоптические объекты, приводящие к значительному увеличению вероятности появления Ег-слоев с высокими значениями предельной частоты ГоЕз.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. В ней содержится 190 страниц печатного текста, приводится 35 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 202 работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена новизна полученных результатов и выводов, указана научно-практическая значимость работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится краткий обзор методов исследования, направленных на изучение ионосферы как среды распространения радиоволн КВ и УКВ диапазонов при наличии Еб-слоя, а также результатов экспериментальных работ и теоретических исследований, посвященных самому среднеширотному слою Ег.

При сравнении основных методов наблюдений за Еб-слоями было отмечено, что несмотря на меньшую информативность результатов вертикального зондирования по сравнению с результатами ракетных измерений или некогерентного рассеяния, наибольшее количество

сведений о временных и пространственных вариациях параметров Еи-слоев на сегодняшний день было накоплено с помощью станций вертикального зондирования СВЗ). Это произошло потому, что благодаря невысокой стоимости этих станций, они были размещены во многих точках Земли и с их помощью были выполнены наиболее длительные регулярные измерения, начиная с 1958 г.

Выполнен анализ стандартных параметров слоев Ег, регистрируемых на станциях ВЗ. Как известно, при вертикальном зондировании определяют четыре параметра слоя Еэ: три основных численных -ГоЕг, ГьЕэ, ЬГЕг - предельную, экранирующую частоты и действующую высоту соответственно и один не цифровой - тип слоя Еэ. При этом было отмечено, что широкоиспользуемая классификация 1Ш31 для идентификации типа Ег-слоев не охватывает всех видов его проявлений на ионограммах. Поэтому в определенных случаях вводятся свои нестандартные типы Ег-слоев. Известно, что наиболее ярко такие отличительные качества Ег-слоев, как случайность, большой диапазон изменений, находят свое отражение в вариациях предельной частоты £оЕг. Из-за таких особенностей этого параметра во многих исследованиях его пространственно-временных вариаций очень часто используется не сама эта величина, а РЕгСГоЕз > - вероят-

ность появления Ез-слоев с предельной частотой выше некоторого уровня Такая традиция представления результатов, в основном, используется в данной работе.

При анализе временных вариаций РЕз отмечено, что в течение года существует летний максимум, а в течение суток присутствует полусуточная гармоника с максимумами в утренние и вечерние часы. Взаимосвязь межгодовой изменчивости РЕб с гелио- и геомагнитной активностью не найдена.

Приведенный обзор многочисленных экспериментальных данных, полученных различными методами, указывает на сложность и многообразие пространственной структуры Ез-слоев. Это могут быть и тонкие (с толщиной 1-5 км) слои с повышенной электронной концентрацией с размерами ~2000 км, включающие в себя очень интенсивные неоднородности с горизонтальными размерами ~200 км, и более мелкомасштабные неоднородности с горизонтальными размерами ~50 км. Кроме того, Ез-слой может представлять собой и скопление мелкомасштабных неоднородностей с размером "1-5 км, имеющее горизонтальную протяженность ~500 км.

При изложении современного состояния теоретических исследований рассмотрены основные процессы в верхней мезосфере - нижней термосфере, способные повлиять на образование в данной области атмосферы значительных неоднородностей электронной концентрации, которые наблюдаются в виде Ег-слоев. Среди таких процессов рассмотрены следующие: смена уровня замагниченности на данных высотах, воздействие турбулентности, высыпания метеоров и высокоэне-гичных частиц.

Показано, что наиболее согласующейся с условиями средних широт является теория ветрового сдвига, объясняющая образование Еэ-слоев. Приведены основные математические соотношения и выводы этой теории. Однако наличие определенных трудностей при объяснении ряда особенностей в вариациях параметров слоя Еэ с помощью этой теории, ведет к необходимости ее дальнейшей доработки путем проведения дополнительных экспериментальных исследований.

Итак, целью работы является проверка и уточнение теории ветрового сдвига путем целенаправленных экспериментальных исследований свойств слоя Еэ во взаимосвязи с различными геофизическими явлениями в атмосфере Земли с последующей разработкой методов краткосрочного прогноза распространения радиоволн, учитывающего влияние слоя Ее.

Вторая глава посвящена анализу методов исследования регулярной ионосферы и ионосферных неоднородностей, выбору использованного в работе метода исследований и его возможностей, выработке методики измерения параметров слоя Ее и их представления в форме удобной для данного исследования.

При анализе указаны основные ограничения аналоговых ионосферных станций, до сих пор применяемых при наблюдении за ионосферой. Обосновывается необходимость использования только цифровых ионосферных станций для дальнейшего исследования Ег-слоев, направленного, главным образом, на изучение его быстротекущих структурных изменений.

Отмечено, что по различным причинам в нашей стране произошла задержка при замене аналоговых ионозондов, работающих в сети, на цифровые. Это привело к необходимости самостоятельного изготовления цифрового ионозонда. Указывается, что за период с 1983 г. в Казанском университете было разработано 10 модификаций цифрового ионозонда "Циклон". Приводятся описание устройства и принципа

- и -

действия, а также основные технические характеристики ионозонда "Циклон". Рассматриваются структура программного обеспечения и основные принципы, заложенные в автоматическую обработку ионог-рамм. Отмечено, что наличие такого программного обеспечения, значительно облегчающего труд оператора, дает возможность использовать указанный ионозонд в составе ионосферной сети, работающей в реальном масштабе времени.

Таким образом, достаточно удобным и информативным для данного исследования является метод вертикального зондирования с помощью цифрового ионозонда, который для этих целей был изготовлен в Казанском университете при участии автора, разработавшего структурную и принципиальную схемы передающего устройства ионозонда. Приводится описание этих схем.

В третьей главе приводится обзор известных теоретических выводов, касающихся высотно-широтной структуры приливных волн на высотах верхней мезосферы - нижней термосферы и их воздействия на временные вариации частотно-высотных параметров Ег-слоев. Однако результаты проведенного сравнения временных вариаций скорости ветра, в основном относящиеся к высотному интервалу 80-108 км, с временными вариациами высотно-частотных параметров указывают на некоторые несоответствия с выводами теории.

Согласно этим выводам Еэ-слои должны образовываться в конвергирующих узлах приливных волн и смещаться вниз вместе с этими узлами со скоростью, равной Фазовой скорости приливной волны. Однако довольно часто наблюдаются спуски Ез-слоев со скоростями, превышающими максимально возможную фазовую скорость моды С 2,2). Так летом часто обнаруживаются значительные расхождения между вертикальными длинами волн полусуточного прилива, определенными по наблюдениям за ветром и по наблюдениям за спусками Ез-слоя. Кроме того, нерешенным остается вопрос, каким образом значительные сезонно-суточные вариации предельной частоты слоя Еэ связаны с вариациями ветра в нижней термосфере.

Для изучения указанных вопросов был проведен сравнительный анализ сезонно-суточных изменений нейтрального ветра на высотах верхней мезосферы - нижней терносферы, наблюдаемых с помощью метеорной радиолокационной станции СИРЛС) в Обнинске С55*И,38"Е), с вариациями параметров слоя Еэ по данным станции вертикального зондирования в Горьком С 56* И,44*Е) за три года С1987-89). Отсут-

ствие высотомерного устройства на указанной МРЛС несколько ограничивает возможности сравнения ветровых и ионосферных данных, так как получаемые ею данные о метеорном ветре характеризуют, в среднем, движения на высоте 95 км. Поэтому в случаях, когда необходимо знание вертикальной структуры ветра, приходится пользоваться теоретическими представлениями о приливных ветрах.

Большинство данных, с которыми необходимо сравнивать частотные параметры слоя Es, имеют суточное усреднение, поэтому в качестве основной количественной характеристики электронной концентрации в Es-слое используется среднесуточное значение параметра SfoEs = foEs-foEme (где foEs-предельная частота слоя Es, a foEme-.медианное значение критической частоты слоя Е), называемого в дальнейшем "интенсивностью" Es-слоев и обозначаемого как <6foEs>. Использование в качестве интенсивности параметра 5foEs, а не foEs позволяет ослабить воздействие на него фоновой концентрации (регулярного слоя Е).

При изучении взаимосвязи сезонных изменений скорости термо-мезосферного ветра с изменениями частотных параметров слоя Es из данных о ветре использовались только значения скорости преобладающего ветра и амплитуды полусуточного прилива, которые являют-' ся основными составлящими суточных вариаций скорости ветра.

Основной количественный анализ взаимосвязи интенсивности Es слоя <6foEs> с двумя компонентами (зональной и меридиональной) скорости преобладающего ветра был проведен на основе вычислений условной вероятности появления Es-слоев при различных скоростях преобладающего ветра. Такие вычисления позволяют сместить основной акцент исследований прежде всего на задачу поиска условий при которых, появляющиеся Es-слои будут наиболее интенсивными. Из-за того, что любая из рассматриваемых составляющих (преобладающий ветер и полусуточный прилив) термомезосферного ветра в отдельности способна привести к образованию Es-слоев, изучение их взаимосвязи с вероятностью появления Es-слоев надо проводить лишь в такие дни, когда одна составляющяя превышает другую. Поэтому при вычислении условной вероятности появления Es-слоев использовались лишь такие дни, когда преобладающий ветер превышал амплитуду полусуточного прилива. Число таких дней в каждом году не превышало 20Х (при общем числе дней наблюдений ~200 в году).

При изучении рассчитанных для каждого года условных вероят-

ностей появления интенсивных Ег-слоев было получено, что она увеличивается во время действия преобладающего ветра, направленного на юго-восток. При этом наиболее вероятная скорость этого ветра, превышающая амплитуду полусуточного'прилива, находится в интервале 20-30 м/с.

Наличие взаимосвязи между сезонными вариациями направления преобладающего ветра и интенсивности Еэ-слоев было косвенно подтверждено путем сравнения дат переходов от малоинтенсивных (зимних) к интенсивным (летним) Ез-слоям, и наоборот, с датами весен-не-осенних перестроек термомезосферного ветра по данным почти 20-ти летних наблюдений. Информация о параметрах Ез-слоев была получена на станции ВЗ в г. Алма-Ате (43"И), а о ветре - на ИРЛС в г. Фрунзе (43"Ю.

Изучение условной вероятности появления слоя Еэ при различных амплитудах полусуточной составляющей скорости термомезосферного ветра показало, что эта вероятность увеличивается с ростом амплитуды полусуточной скорости, как это и должно быть согласно теории ветрового сдвига. Однако этот рост наблюдается только в диапазоне амплитуд 0-25 м/с, выше которого рост сменяется убыванием вероятности появления Ез-слоев. При определении данных условных вероятностей появления слоя Еэ отбирались лишь' такие дни (~ 70/. от общих дней наблюдений), когда амплитуда полусуточного прилива превышала величину преобладающего ветра и амплитуду суточного прилива.

В отличии от скорости преобладающего ветра полусуточная гармоника характеризуется не только амплитудой, но и Фазой, поэтому анализ взаимосвязи параметров полусуточных составляющих ветра и интенсивности слоя Ез был дополнен исследованием их Фаз. Согласно теории ветрового сдвига Ег-слои располагаются в конвергирующем узле приливной волны, поэтому максимальные значения £оЕ3 должны наблюдаться тогда, когда приливный ветер направлен на юг. Однако из-за того, что исследуемые данные относятся к различным высотам, этот вывод требует корректировки: максимальные значения ГоЕг должны наблюдаться на 1-2.ч после наблюдения максимума скорости приливного ветра в восточном направлении. Анализ данных показал, что наиболее часто указанное правило соблюдается в летнее !время и менее часто в другие сезоны года.

Поэтому более подробное изучение высотных вариаций Еэ-слоя

было выполнено на основе наблюдений в летний период. Для регистрации вариаций высоты Еэ-слоев использовался учащенный режим работы ионозонда "Циклон" в июле 1993 г. в пригороде ' г. Казани. Скорость термомезосферного ветра измерялась также с помощью МРЛС в г. Обнинске.

Детальное исследование высотного расположения узлов полусуточного прилива и Ег-слоев показало, что многие особенности суточного поведения высоты Еэ-слоев можно объяснить присутствием нескольких мод полусуточного прилива. Так большую часть дня в высотном интервале 90-115 км Ег-слои спускаются со скоростью, близкой к Фазовой скорости моды (2,6). В утренние и вечерние часы около траекторий спуска дивергирующего узла моды (2,2) в высотном интервале 115-140 км наблюдаются сверхбыстрые спуски Ез-слоев, со скоростями, превышающими фазовую скорость данной моды. Для объяснения происхождения этих спусков приводятся результаты математического моделирования, в котором производится учет вклада в перераспределение электронной концентрации зональной компоненты нейтрального ветра, которая обычно не учитывалась в высотном интервале 115-140 км.

Кроме того, для более точного определения влияния модового состава полусуточного прилива на движение Еэ-слоев вычислены среднечасовые значения скорости уЕб спуска этих слоев и вероятности появления Еэ-слоев с различными скоростями. Получено, что вероятность спуска Ег-слоев со скоростью, равной фазовой скорости моды (2,6) составляет ~457. в любое время суток, кроме утренних и вечерних часов (~6 и "18 ч). В эти моменты увеличивается (до ЗОИ) вероятность появления Ег-слоев, которые спускаются со скоростью, превышающую фазовую скорость моды (2,2). Это указывает на довольно регулярный характер таких сверхбыстрых спусков в определенное время суток.

Однако не все проявления слоя Еэ удается объяснить влиянием основных движений нейтрального ветра в средней атмосфере, поэтому в следующей главе рассматривается взаимосвязь параметров этого слоя с движениями в нижней атмосфере.

В четвертой главе рассмотрены данные о воздействии тропосферной погоды и стратосферной циркуляции на вероятность появления Еэ-слоев. Отмечается, что на сегодняшний день сложилась такая ситуация, когда значительное метеорологическое воздействие на об-

ласть 0 общепризнано, а на Ез-слои - нет. И это, несмотря на то, что объясняющая Ег-слой теория базируется на высотной структуре' нейтрального ветра, которая испытывает воздействие нижележащих слоев атмосферы. Кроме того, в пользу метеорологического воздействия на параметры Ез-слоев свидетельствуют отсутствие четкой зависимости этих параметров от уровней гелиогеомагнитной активности, и то, что эти слои имеют пространственные размеры, существенно меньшие соответствующих размеров регулярного слоя Е. Поэтому в данной главе ставится задача поиска таких явлений в нижней и средней атмосферах, оказывающих значительное воздействие на вероятность появления, главным образом, интенсивных Ег-слоев.

Невысокие значения коэффициента корреляции между давлением и интенсивностью Ез-слоев привели к необходимости поиска других параметров, характеризующих синоптическую обстановку в тропосфере и более тесно связанных с вариациями интенсивности Ег-слоев.

Из метеорологии известно, что изменение давления связано с прохождением (установлением) различных синоптических тропосферных объектов: циклонов, антициклонов, ложбин, гребней и так называемого малоградиентного поля. Для того чтобы оценить степень взаимосвязи различных частей указанных объектов на вероятность проявления Ег-слоев были вычислены соответствующие условные вероятности. Наиболее благоприятными образованию интенсивных слоев Ег оказались центральные и тыловые части циклонов и антициклонов и, что довольно необычно, малоградиентное поле. Имеется множество работ, указывающих на то, что генераторами .внутренних волн, достигающих высот нижней ионосферы являются, в первую очередь, циклоны, фронты (последние, как известно, довольно часто являются частью циклона) и, во вторую очередь, антициклоны. Малоградиентное поле таким генератором не является. Однако, как было установлено в разделах расположенных1.ниже, малоградиентное поле ..цчень часто, примыкает к ..тропосферным блокирующим образованиям, „являющимися, по-вйдимому,,,.мощными.источниками внутренних.волн., ..

Для того чтобы исключить, из рассмотрения, невысокие.,, .(меньшие .4-5, км) барические образования,, оказывающие, потвидимому, меньшее .воздействие; на, вышележащую, ионосферу,,, было . исследовано . воздействие параметров скорости геострофического ветра, дующего на геопотенциальной поверхности 500 гПа (~5, 5 км), на параметры слоя Ег за 1986-89 гг. Соответствующий анализ показал, что для всех меся-

цев увеличение интенсивности слоя Еб происходит при нарушении зонального западного переноса в средней тропосфере. Наибольшее увеличение отмечается в летние месяцы, когда региональный ветер направлен на запад, северо-запад и имеет невысокую величину скорости. В другие месяцы увеличение (не столь значительное, как летом) наблюдается, когда ветер направлен на юг С зима, весна) и на юго-запад (осень). При этом в нелетние месяцы скорость этого ветра должна иметь наибольшую скорость.

Для объяснения такой зависимости вероятности появления Ег-слоев от скорости геострофического ветра карты изобарической поверхности 500 гПа подверглись повторному визуальному анализу по выявлению длительных аномалий в полях геопотенциала за те же четыре года. Оказалось, что полученное для лета благоприятное для образования интенсивных Ег-слоев направление ветра (на запад, северо-запад) связано с появлением блокирующих образований или бло-кингов. На что косвенно указывала взаимосвязь между установлением над определенной территорией малоградиентого поля и вероятностью появления интенсивных Еэ-слоев.

Кроме взаимосвязи вероятности появления Ев-слоев с метеорологическими параметрами была также исследована взаимосвязь этой вероятности с различными индексами, описывающими уровень гелио- и геомагнитной активности. Исследование последней взаимосвязи велось, в основном, для сравнительной оценки значимости взаимосвязи между вероятностью появления Ез-слоев и метеорологическими параметрами. Было установлено, что также как и в случае с приземным давлением и скоростью и направлением геострофического ветра на поверхности 500 гПа коэффициенты корреляции между интенсивностью Ев-слоев и различными параметрами, описывающие уровень гелио-геомагнитной активности, имеют сильную сезонную изменчивость. Так взаимосвязь между интенсивностью Ев-слоев и кр-индексом, лишь немного уступающая взаимосвязи между интенсивностью Ев-слоев и скоростью, направлением геострофического ветра, имеет наивысшие значения коэффициента корреляции летом (-0,14) и слабо заметна в нелетние месяцы. Ситуация с индексами, характеризующими гелиоак-тивости, (числа Вольфа и уровень излучения радиоволн с длиной волны 10,7 см) прямо противоположная: эта взаимосвязь в зимнее время несколько больше, чем в летнее.

Как известно из метеорологии, "прозрачность" стратосферы для

распространяющихся вверх внутренних волн имеет сезонную зависимость, что связано со скоростью и направлением зональной циркуляции в стратосфере. Для косвенной проверки воздействия сезонных изменений фильтрующих свойств стратосферы на сезонную изменчивость вероятности появления интенсивных Es-слоев, были сопоставлены даты перехода от малоинтенсивных (зимних) к интенсивным (летним) Es-слоям, и наоборот, с датами весенне-осенних перестроек ветра в стратосфере по данным 10-ти летних наблюдений.

Даты весенне-осенних стратосферных перестроек за 1977-90 гг. на геопотенциальной поверхности 10 гПа (~30 км) были взяты из соответствующих литературных источников в северной (70-50"N) и южной (50-35°N) зонах. Даты начала и конца устойчивого появления интенсивных Es-слоев, для которых среднесуточные значения 6foEs превышают два пороговых уровня 1 и 1,5 МГц, были определены по данным наблюдений на станции ЕЗ в г. Горький (55°Ю за 1970-89 гг. Было установлено, что даты весенних и осенних переходов от малоинтенсивных (нелетних) Es-слоев к интенсивным (летним) слоям наиболее близко расположены к датам весенне-осенних перестроек циркуляции в стратосфере в южной зоне.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Для выполнения исследований по данной тематике были проведены экспериментальные наблюдения высотно-частотных параметров слоя Es в учащенном режиме работы с помощью изготовленного в КГУ цифрового ионосферного комплекса "Циклон", в разработке которого автор принимал непосредственное участие. Однако из-за невысокой длительности этих наблюдений (~2 мес) для изучения межгодовых вариаций параметров слоя Es были использованы более продолжительные, но менее подробные данные других исследователей.

2. Измерения, выполненные с помощью ионосферного комплекса "Циклон", позволили выделить ряд интересных особенностей в суточных вариациях высотно-частотных слоя Es, некоторым из которых удалось найти возможное объяснение благодаря сопоставлению их с данными о ветре в верхней мезосфере - нижней термосфере и выполненному математическому моделированию.

3. Установлено, что одной из причин сезонной изменчивости вероятности появления Es-слоев являются сезонные изменения скорости, направления преобладающего ветра и амплитуды полусуточного прилива в верхней мезосфере - нижней термосфере. При этом ха-

рактерной особенностью является уменьшение вероятности появления интенсивных Es-слоев во все сезоны, когда скорость любой компоненты ветра превышает 25 м/с, что очевидно связано с повышением интенсивности турбулентности на этих высотах.

4. Подтверждена концепция стратотропосферно-ионосферных связей и метеорологического контроля нижней ионосферы. Показано, что среднеширотный слой Es в летнее время подвержен возмущениям синоптических масштабов, распространяющимся из тропосферы. Удалось выделить источники таких возмущений в тропосфере -блокирующие образования. Увеличение вероятности появления интенсивных слоев Ее над блокирующими образованиями, по-видимому, связано с такими их основными свойствами, как значительные пространственные масштабы и малоподвижность, которые превращают его в мощный географически неподвижный источник внутренних волн синоптического масштаба.

Исследования дат весенней и осенней перестроек в стратосфере показали, что кроме возмущений синоптического масштаба С типа бло-кингов в тропосфере) слой Es взаимосвязан с изменениями направления движений планетарного масштаба, а именно со сменой в стратосфере летнего полярного антициклона на зимний циклон, и наоборот.

5. Приведены доказательства сезонной зависимости гелио-гео-магнитного воздействия на слой Es. В летнее время отмечается тесная отрицательная корреляция с индексами, описывающими геомагнитную активность, а в зимнее - слабая положительная. Для индексов, характеризующих уровень гелиоактивности, установлена незначительная положительная корреляция с параметрами слоя Es, которая летом ослабевает, а зимой усиливается.

6. Созданы предпосылки для совершенствования физической теории слоя Es и к разработке краткосрочного прогноза условий распространения радиоволн с учетом влияния нз них спорадического слоя Es.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Minullin R. G. , Sherstyukov 0. N., Sapaev A. L., Nazarenko V.l.. Metkii A. I., Syunyaev R. 2., Akchyurin A.D., Madiyeva T.I. Digital ionospheric complex "Cyclone-5" // Second Globmet Symposium, abstract, M. 1988. P. 25.

2. Минуллин P. Г., Шерстюков 0. H., Сапаев A. JI., Назаренко В. И., Меткий А. И., Сюняев Р.3., Акчурин А. Д. Цифровой ионосферный комплекс "Циклон" // Ионосферные исследования. М. : МГК. 1989.

N46. С. 109-115.

3. Акчурин А. Д., Сапаев А. Л., Шерстюков 0. Н. Программный комплекс "Циклон" для автоматической обработки и интерпретации ионог-рамм вертикального зондирования // Тезисы докладов десятого Всесоюзного семинара по моделированию ионосферы. Казань. 1990. М. :ИЗМИРАН. С. 16.

4. Акчурин А. Д., Минуллин Р. Г., Назаренко В. И. , Сапаев А. Л., Шерстюков 0. Н. Некоторые особенности отражения радиоволн от слоя Es при вертикальном зондировании // Тезисы докладов 17 конференции по распространению радиоволн. Ульяновск. 1993. 21-24 сентября. Секция 1,1а, 2. С. 58.

5. Akchyurin A. D., Minullin R. G., Nazarenko V. I., Sherstyukov 0. N., Sapaev S.A., Zykov E.Yu. The Ionospheric Complex "Cyclon" // Abstracts. Proceeding of Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science CURSI) Kyoto. Japan. August 25 - September 2. 1993. P.328.

6. Минуллин P. Г., Шерстюков 0. H. , Сапаев А. Л. , Назаренко В. И., Акчурин А.Д.,Зыков Е. Ю. Цифровой ионосферный комплекс "Циклон-9" Казань:Изд-во КГУ; 1994. Деп. в ВИНИТИ от 17.06.94, N 1518-В94.

7. Akchyurin A. D., Minullin R. G., Nazarenko V. I., Sherstyukov 0. N. , Sapaev S. A., Zykov E.Yu. The ionospheric complex "Cyclon" // Ionosonde networks and stations. World data centre-A for solar-terrestrial physics. Boulder. 1995. Report UAG-104. P. 35-36.

8. Minullin R. G., Sherstyukov 0. N., Nazarenko V. I., Akchyurin A. D. The routine diagnosis of the ionosphere for the short-terra forecast of HF and VHF propagation // Ionosonde networks and stations. Uorld data centre-A for solar-terrestrial physics. Boulder. 1995. Report UAG-104. P. 75-76.

9. Акчурин А. Д., Зыков E. Ю., Макаров H. A. , Минуллин P. Г., Портня-гин Ю. И. , Шерстюков 0. Н. Влияние динамики нижней термосферы на появление спорадического слоя Е // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35. N2. С. 123-129.

10. Sherstyukov 0. N., Akchurin A. D. Duirnal seasonal regularities of sporadic-E occurrence and neutral uind // Annal. Geophys. 1995. V. 13. Supplement 3. Part 3. P. 649.

11. Akchyurin A. D.. Minullin R. G. , Sherstyukov 0. N., Zykov E. Yu. The effect of the semiduirnal tide on the formation of sporadic-E layer // Abstracts. International Union of Geodesy

and Geophysics CIUGG). 21 General Assembly. Boulder. Colorado. July 2-14. 1995. Ueek В. P. b233.

12. Акчурин А. Д., Зыков E. Ю., Макаров H. A., Минуллин P. Г., Портня-гин Ю. А., Шерстюков 0. Н. Быстрые нисходящие движения спорадического слоя Е под действием полусуточного прилива // Ионосферные исследования. М. 1997. N 50. (в печати)

13. Акчурин А. Д., Зыков Е. Ю., Минуллин Р. Г., Шерстюков 0. Н. Автоматическая обработка ионограмм в ионосферном комплексе "Цик-лон-10" // Ионосферные исследования. М. 1997. N 50. (в печати)

14. Акчурин А. Д., Зыков Е. (О., Макаров Н. А., Минуллин Р. Г., Портня-гин Ю. И., Шерстюков 0. Н. Влияние полусуточного прилива на вариации высоты спорадического слоя Е // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. N3. С. 132-139.

15. Akchurin A.D., Sherstyukov 0. N., Zykov Е.Yu. Influence of the lower atmosphere dynamics on midlatitude sporadic E layer // Abstracts. 31 Scientific Assembly of COSPAR. Birmingham. England. 14-21 July. 1996. P.104.

16. Акчурин А.Д. Взаимосвязь неустойчивости тропосферной циркуляции со слоем Es на средних широтах //Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. N5. С. 54-60.

17. Minullin R. G., Sherstyukov 0. N., Sapaev S. А., Akchyurin A. D., Zykov E.Yu. The ionospheric complex Cyclon-11 // Abstracts. XXVth General Assembly of the URSI. Lille. France. 28 aug.-5 sep. 1996. G5.P19. P. 399.

18. Akchurin A.D., Sherstyukov 0. N. The troposphere circulation unsteadiness and midlatitude sporadic-E layer // Abstracts. XXVth General Assembly of the URSI. Lille. France. 28 aug.-5 sep. 1996. G7. 2. P. 407.

19. Шерстюков 0. H., Акчурин А.Д., Зыков E.Ю. Тропосферно-стратос-Ферная погода и среднеширотный слой Es // Тезисы докладов 18 Всероссийской конференции по распространению радиоволн. С.-Петербург. 17-19 сент. 1996. Т. 2. С. 517-518.

Отпечатано на ризографе. Заказ 53. Тираж 100. Отдел оперативной полиграфии ТРП ВОИ Казань, ул. Декабристов, 103 тел.(8432) 31-55-02