CC BY
104
Исследования геофизических процессов в Арктике
A.A. Намгаладзе1'4, А.А. Боголюбов2, Н.В. Калитёнков2,
B.Г. Пивоваров3, Ю.Л. Свердлов3'4, М.В. Успенский2
1 Электромеханический факультет МГТУ, кафедра физики
2 Электромеханический факультет МГТУ, кафедра РТКС
3 Факультет менеджмента и экономики МГТУ, кафедра прикладной математики и естественнонаучных дисциплин
4 Полярный Геофизический Институт КНЦ РАН
Аннотация. Дан обзор исследований геофизических процессов в Арктике, проводимых в последние годы в МГТУ в рамках научного направления № 10 плана госбюджетных научно-исследовательских работ, а также как инициативные НИР. Основным объектом исследований являются физические процессы, протекающие в околоземном космическом пространстве над территорией Арктики, а также в глобальном масштабе и влияющие на функционирование космических аппаратов, всевозможных радиотехнических систем (радиосвязи, радиолокации, радионавигации) и длинных линий передачи энергии (линий электропередачи, нефте- и газопроводов). В качестве наиболее развитого метода исследований используется метод математического моделирования геофизических процессов. Отмечается наличие координации работ с исследованиями, выполняемыми в Полярном Геофизическом Институте Кольского Научного Центра Российской Академии Наук, а также в ряде зарубежных научных организаций.
Abstract. This paper is an attempt to present a review of the investigations of geophysical processes in the Arctic having been conducted during last years in the MSTU. The basic object of the researches are the physical processes taking place in the near-Earth space above the Arctic, as well as on the global scale, influencing on operation of the space rockets and satellites, radiotechnical systems and long lines of energy transfer. A conclusion has been made that the researches of the geophysical processes in the Arctic conducted at the MSTU are complex, made at high scientific level using the modern computer methods, and very cooperative.
1. Введение
Арктика представляет собой уникальный геофизический объект, существенным образом влияющий на жизнедеятельность человечества не только в северных регионах, но и в глобальном масштабе. Если в XIX в. и ранее основным фактором, определяющим значение Арктики, являлся Северный Ледовитый океан, влияющий на климат, погоду и мореплавание, то в XX в. с появлением радиосвязи и освоением космоса выявилась колоссальная роль Арктики в распространении радиоволн и в функционировании многочисленных энергетических и космических систем, зависящих от состояния геомагнитного поля.
Именно необычное поведение геомагнитного поля над Арктикой определяет множество особенностей протекающих в ней геофизических процессов, среди которых наиболее яркими являются полярные сияния и геомагнитные бури и суббури. Магнитное поле Земли устроено таким образом, что арктические регионы оказываются подверженными прямому воздействию энергичных заряженных частиц, доставляемых от Солнца солнечным ветром - выбросами солнечной плазмы. Эти частицы, вторгаясь в атмосферу Земли, вызывают свечения (полярные сияния) и ионизацию атмосферных газов, повышают проводимость ионосферы, приводя к усилению текущих в ней токов и создаваемых этими токами магнитных полей (магнитные возмущения).
Изменения проводимости арктической ионосферы приводят к изменениям скорости распространения электромагнитных волн в ней, влияя тем самым на работу всевозможных радиосистем, а возмущения геомагнитного поля индуцируют паразитные электрические токи в любых длинных проводниках, каковыми являются, например, линии электропередачи или трубопроводы, также влияя на их функционирование. Известна, наконец, зависимость здоровья людей от окружающей электромагнитной обстановки.
Всё это определило давний интерес учёных к геофизическим процессам в Арктике и привело в своё время к созданию ряда научных учреждений на Крайнем Севере как России, так и Скандинавии, Соединённых Штатов Америки и Канады, к осуществлению широкой международной кооперации в
исследованиях геофизических процессов в Арктике как наземными (магнитными, оптическими и радиолокационными), так и ракетными и спутниковыми методами. Появление в Мурманском государственном техническом университете большого числа учёных, таких как доктора наук В.Г. Пивоваров, Ю.Л. Свердлов, М.В. Успенский, A.A. Намгаладзе, кандидаты наук A.A. Боголюбов, В.А. Власков, М.А. Волков, А.Х. Пятси и другие, работавших или продолжающих работать в Полярном Геофизическом Институте Кольского Научного Центра Российской Академии Наук (ПГИ КНЦ РАН), естественным образом привело к формированию в МГТУ научного направления "Исследование геофизических процессов в Арктике", краткое содержание которого излагается ниже.
2. Исследование динамических характеристик мезосферы и нижней термосферы в полярных широтах (научный руководитель A.A. Боголюбов)
Исследования проводились на экспериментальном материале по частичным отражениям от D-области ионосферы, полученным на радаре ПГИ (частота 2,7 МГц) в период наблюдения Полярного Мезосферного Летнего Эхо (PMSE).
1. Изучение долгопериодных вариаций на 1,5 месячном массиве данных зондирования D-области ионосферы позволило, наряду с приливными и 6-7 дневными компонентами, выявить 10-11 дневные составляющие. Отклонение длительности последних от величины низкочастотных компонент, соответствующих лунным приливам, интерпретировалось возможным наложением внутренних гравитационных волн, скорость распространения которых, в зависимости от структуры стратификации в атмосфере, может меняться в достаточно широких пределах. Полученные результаты показывают, что детальное изучение картины горизонтальных скоростей на высотах мезосферы даёт дополнительную информацию о механизмах, формирующих PMSE (Боголюбов и др., 1999).
2. Изучение короткопериодных составляющих спектра флуктуаций интенсивности отраженного сигнала в области частот Брандта-Вяйсяля (периоды длительностью в несколько минут) дало свидетельство об их присутствии и заметной изменчивости в условиях слабого PMSE, что позволяет оценивать температуру атмосферы в области мезопаузы и изучать ее вариации (Суровцев, 2000; Суровцев, Власков, 2000).
3. Изучение вариаций интегрального содержания двуокиси азота в средней атмосфере полярных широт (исполнитель A.A. Боголюбов)
Проводилось изучение временных и пространственных вариаций интегрального содержания NO2 по данным измерений рассеянного солнечного излучения в коротковолновой части видимой области спектра, полученным на спектрофотометрической установке ПГИ в г. Мурманске, которые проводились в рамках Договора о научном сотрудничестве между ИФА РАН и ПГИ КНЦ РАН.
Результаты предварительного анализа данных показали:
1. Монотонный рост содержания NO2 с увеличением времени освещенности атмосферы Солнцем в весенний период (начало марта - конец апреля в 7-8 раз) с наличием заметных вариаций длительностью в несколько дней.
2. Наличие достаточно глубоких (20-25 %) пространственных вариаций в восточно-западном направлении с периодами 1-2,5° азимутального угла, свидетельствующие о присутствии в полярной атмосфере вытянутых приблизительно вдоль меридиана крупномасштабных структур (получено по данным измерений, проведенным в период белых ночей и летнего солнцестояния).
3. Наличие в данных характерных параметров, которые могут использоваться для оценки степени антропогенного загрязнения приземного слоя атмосферы. В работе принимали участие учащиеся 10-го класса МПЛ В. Рианов, С. Котов, А. Земцовский, представившие результаты на конференции МГТУ в 1999 г.
4. Исследования особенностей распространения радиоволн в высоких широтах (научный руководитель Н.В. Калитёнков)
В рамках этого направления проводились следующие работы: 1. Исследовалось влияние неоднородности и неравновесности полярной ионосферы на амплитудные и частотные характеристики КВ радиосигналов, распространяющихся на высокоширотных радиотрассах при наклонном и возвратно-наклонном зондировании. Найдено, что взаимодействие КВ радиосигналов с неоднородностями электронной плотности и пучками авроральных электронов приводит не только к значительным изменениям амплитуды и частотного спектра радиосигнала. При таком взаимодействии существенно возрастает время группового распространения радиосигнала. Результаты могут быть использованы при разработке РТС и планировании работы коротковолновых связных и локационных систем (Васильев и др., 1999а,в; Калитёнков, 1999а,б; Калитёнков, Калитёнков, 2000а,в,г; Калитёнков, 2000а).
2. Исследовались особенности взаимосвязи между активностью Солнца в радиодиапазоне и авроральными возмущениями. Результаты (с учетом различия скоростей распространения радиосигнала и заряженных частиц разных энергий) могут быть использованы в прогностических целях при определении времени задержки начала ионосферных и геомагнитных возмущений относительно момента начала регистрации повышенного радиоизлучения и представляют интерес при организации устойчивой работы средств радиолокации, радионавигации, радиосвязи в высоких широтах (Калитёнков, Трошенков, 2000).
3. Обнаружено и исследовано влияние озонового слоя на условия распространения ультракоротких радиоволн, заключающееся в том, что поглощение озоновым слоем солнечной радиации приводит к существенному разогреву и появлению температурной инверсии на указанных высотах. Связанные с этим изменения показателя преломления для УКВ в зависимости от величины градиента температуры приводят в свою очередь либо к возможности дальнего волноводного распространения УКВ либо к рассеянию УКВ на неоднородностях, возникающих в результате тепловой конвекции (Калитёнков, 20006).
4. Разработана методика расчета "характерного плазменного поля" - параметра, определяющего нелинейные свойства ионосферы, как среды распространения радиоволн, для целей оптимизации работы мощных загоризонтных радиолокаторов. Создана программа, позволяющая рассчитывать плазменное поле в каждой точке пространства вдоль трассы для конкретной модели (расширенная модель ПГИ) ионосферных параметров (Калитёнков и др., 2000а).
5. Исследовались особенности функционирования мощных радиотехнических средств КВ диапазона и предложены способы создания новых нетрадиционных источников низкочастотного радиоизлучения, обуславливаемых нелинейными и параметрическими свойствами ионосферы в поле мощных радиоволн. Рассмотрены случаи одночастотного и двухчастотного воздействия на ионосферу для нелинейного и параметрического детектирования, смешения и умножения частоты (Калитёнков и др., 20006, Калитёнков, Калитёнков, 2000б,д,е,з).
6. Исследовалась возможность и предложен способ создания ионосферного магнитного излучателя на частоте модуляции мощной радиоволны, заключающийся в том, что под воздействием мощной радиоволны круговой поляризации (наиболее эффективно - радиоволны необыкновенной поляризации) в ионосфере возникает токовое кольцо, являющееся магнитным диполем. В том случае, когда радиоволна промодулирована по амплитуде, магнитный диполь превращается в магнитный излучатель на частоте модуляции. Рассчитаны параметры излучателя, рассмотрены методы управления характеристиками такого излучателя (Калитёнков, Калитёнков, 2000ж,и).
5. Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли (научный руководитель В.Г. Пивоваров)
Решение проблемы солнечно-земных связей требует теоретического и экспериментального исследования взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Такие исследования проводились в течение последних 30 лет во многих научных центрах, в частности, в Новосибирском и Красноярском научных центрах по инициативе Президента Сибирского отделения АН, а позже Президента АН СССР акад. Г.И. Марчука. Эти работы были продолжены в МГТУ.
Вся проблема взаимодействия здесь исследовалась теоретически методами математического моделирования с использованием новейшей вычислительной техники и с привлечением современных численных методов. Проблема была представлена как совокупность взаимосвязанных подпроблем, таких как магнитогидродинамическое обтекание затупленной упругой поверхности; расчет структуры геомагнитного поля внутри деформируемой проводящей оболочки; взаимодействие корпускулярных электронных и протонных потоков с атомами и молекулами верхней атмосферы;
взаимодействие продольных токов с ионосферой; и ряд других.
Непосредственным научным руководителем и исполнителем этих исследований был д. ф-м. наук проф. Пивоваров В.Г. со своими учениками д. ф-м. наук Еркаев Н.В., д. ф-м. наук Денисенко В.В. и
др.
Был установлен ряд интересных геофизических и космофизических фактов, получивших экспериментальное подтверждение, в частности:
• удалось подтвердить важную роль межпланетного магнитного поля в формировании структуры обтекающего магнитосферу потока солнечного ветра и электродинамической структуры магнитосферы;
• теоретически было предсказано возникновение магнитного барьера вблизи магнитопаузы и объяснена картина течения плазмы в окрестности Венеры;
• выявлена ключевая роль магнитного барьера в возникновении магнитосферных суббурь;
• построена самосогласованная картина электродинамической структуры магнитосферы и магнитосферного хвоста с учетом вязкого взаимодействия и пересоединения силовых линий межпланетного и магнитосферного магнитных полей и ряд других эффектов.
Выполненные исследования позволили сделать выводы о том, что динамические процессы на Солнце передаются к поверхности магнитосферы не только с помощью волнового излучения, но и с помощью солнечного ветра и динамических процессов в нем.
Изменение сил вязкого взаимодействия и пересоединения на границе солнечного ветра с магнитосферной плазмой полностью определяют электрические поля и токи, текущие от периферийных областей околоземного космического пространства на высоты ионосферы.
Изменение термодинамических параметров верхней атмосферы оказывает влияние на крупномасштабные характеристики средней и нижней атмосферы. Кроме того магнитные возмущения, вызываемые ионосферными и магнитосферными токами, без препятствия доходят до земной поверхности, вызывая различные отклики в биосфере, влияя на поведение живых организмов, и прежде всего, на человека.
Без сомнения результаты этих исследований можно рассматривать лишь как первый шаг в цепочке исследований, позволяющих установить все механизмы влияния солнечной активности на земные оболочки, основные причинно-следственные связи и построить комплексные математические модели геофизических процессов, позволяющих прогнозировать динамику различных параметров всех земных оболочек: магнитосферы, ионосферы, атмосферы, биосферы, гидросферы и даже литосферы.
Результаты этих исследований отражены в различных сборниках, монографиях, многочисленных работах, опубликованных как в российских, так и зарубежных журналах. Результаты работ докладывались на различных научных конференциях и совещаниях.
6. Создание математической модели анизотропных мелкомасштабных неоднородностей полярной ионосферы (научный руководитель Ю.Л. Свердлов)
Полярная ионосфера существенным образом отличается от среднеширотной ионосферы. Среднеширотная ионосфера прозрачна для радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов. Поэтому все радиолокационные станции дальнего обнаружения баллистических ракет работают в этом диапазоне частот. Такие же радиолокационные станции были созданы американцами и нами для дальнего обнаружения баллистических ракет, летящих через Северный полюс. Но когда эти станции были запущены, то оказалось, что в полярной ионосфере в периоды магнитных возмущений возникает интенсивное обратное рассеяние радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов. Поэтому обычные способы обнаружения баллистических ракет для них не пригодны. В результате возникла серьезная физическая проблема - объяснить механизм возникновения интенсивных обратных отражений радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов от полярной ионосферы.
Многолетние экспериментальные исследования этого эффекта показали, что он порождается особыми анизотропными мелкомасштабными неоднородностями, возникающими на высотах Е-области полярной ионосферы (h ~ 100 км). Эти неоднородности, получившие название авроральных, ориентированы вдоль магнитных силовых линий и имеют в этом направлении размер L ~ 100 м, а в поперечном направлении их размер не превышает 0.05 м.
В настоящее время установлено, что причиной образования авроральных неоднородностей служит развитие в ионосферной плазме так называемой Фарлей-Бунемановской неустойчивости. Математическая теория этой неустойчивости обычно записывается в спектральной форме. Из теории следует, что Фарлей-Бунемановская неустойчивость возникает лишь в том случае, когда дрейфовая скорость электронов превышает скорость ионного звука. Но физический смысл этого условия до сих пор был неизвестен.
Цель работы, выполняемой нами в ПГИ и МГТУ, состоит в том, чтобы построить математическую модель образования в полярной ионосфере анизотропных мелкомасштабных неоднородностей (авроральных неоднородностей).
Отметим здесь два полученных нами принципиально новых физических результата.
Смысл первого из них можно пояснить следующим образом. Для понимания физической природы механизма образования авроральных неоднородностей естественным шагом должен быть переход от спектральной формы описания Фарлей-Бунемановской неустойчивости к ее пространственно-временному описанию. Выполненные нами расчеты показали, что процесс формирования авроральных неоднородностей протекает следующим образом. Вначале в ионосфере образуются изотропные мелкомасштабные неоднородности с размерами в несколько метров. Затем эти изотропные неоднородности, движущиеся с дрейфовой скоростью, превышающей скорость ионного звука, быстро расплываются вдоль магнитных силовых линий и
превращаются в анизотропные неоднородности. Одновременно с этим происходит их сжатие в направлении движения. В сжатии неоднородностей и состоит физический смысл развития Фарлей-Бунемановской неустойчивости. В результате такого сжатия первоначальный размер неоднородности в несколько метров уменьшается до весьма малой величины (~ 0.05 м). Следует подчеркнуть, что в процессе движения неоднородности со скоростью, превышающей скорость ионного звука, с ней вместе движутся как электронный, так и ионный сгустки. Но при движении ионного сгустка со скоростью, большей скорости ионного звука, неизбежно возникает ударная волна. В ударной волне, как известно, скорость движения заднего фронта больше, чем переднего. Этим и объясняется эффект сжатия неоднородности в направлении ее движения. Одновременно становится понятным физический смысл условия возникновения Фарлей-Бунемановской неустойчивости - дрейфовая скорость электронов должна быть больше скорости ионного звука. Поскольку с дрейфовой скоростью электронов одновременно движется и ионный сгусток, то это приводит к образованию ударной волны. Иными словами Фарлей-Бунемановская неустойчивость описывает процесс образования в плазме ударных волн.
Вторым важным достижением в области понимания физической природы образования авроральных неоднородностей служит разработанная нами методика расчета доплеровских спектров авроральных радиоотражений. Принято считать, что ток в полярной ионосфере ламинарный, то есть дрейфовые скорости в нем постоянны. Нам удалось показать, что в действительности ток турбулентный, то есть к постоянным дрейфовым скоростям все время добавляются большие случайные вихревые компоненты. В этом случае доплеровский спектр сигнала, рассеянного отдельной неоднородностью, следует усреднить по всем случайным скоростям. Мы рассчитали функцию распределения этих случайных скоростей и с ее помощью получили общее выражение для доплеровского спектра сигнала, рассеянного авроральными неоднородностями. В результате получаются теоретические спектры, хорошо совпадающие с экспериментальными. Соответствующим выбором параметров теоретических спектров можно с помощью такой методики определять следующие параметры турбулентного тока: величину и направление регулярной дрейфовой скорости электронов, максимальную величину скорости случайной вихревой компоненты и ее дисперсию, а также средний размер исходной изотропной неоднородности. В настоящее время эти параметры никакими другими способами не измеряются.
Изложенные выше результаты опубликованы в "Вестнике МГТУ" и ряде других журналов (Свердлов, 1988, 1998, 2000; Пивоваров и др., 1998, Pivovarov et al, 1996).
7. Мультирадарная диагностика полярной ионосферы (научный руководитель М.В. Успенский)
7.1. Исследование влияния неоднородностей авроральной ионосферы на работу радиотехнических средств (радиолокации, радионавигации и радиосвязи)
7.2. Исследование условий возникновения и определение параметров аномальных каналов радиосвязи в KB и УКВ диапазонах полярной ионосферы
7.3. Мультирадарные исследования физических явлений в полярной ионосфере
Завершено исследование и подготовлена научная статья (Uspensky et al., 2000a) в европейский журнал Annales Geophysicae. В работе представлены натурные наблюдения финского и исландского КВ-радаров CUTLASS, а также результаты моделирования физических условий формирования радарных эхосигналов. В работе иллюстрируются и объясняются обнаруженные авторами особые возможности финского радара, который в течение длительного времени способен наблюдать положение и динамику экваториальной границы диффузного аврорального свечения при слабой геомагнитной активности. Такая особенность финского радара является следствием двух факторов: а) сильного искривления радиолучей в результате действия ионосферной рефракции и б) почти нулевых ракурсных углов для прямолинейных лучей на высотах Е-слоя 5-10° к полюсу от радарной позиции.
Завершено исследование и подготовлена статья (Uspensky et al., 2000b) (также в журнал Annales Geophysicae). Работа посвящена физике рассеивающих неоднородностей, волновые векторы которых ориентированы вдоль линий ионосферного тока. Такие неоднородности принято называть Фарлей-Бунемановскими (ФБ) волнами. Показано, что две группы эхосигналов на дальности 500-700 км, скорость 700 м/с, и дальностях 700-1000 км, скорость 400 м/с, формируются ФБ волнами при электрическом поле 70 мВ/м на двух разных высотах Е-слоя. Как следует из приводимой модели, две группы скоростей волн в однородной ионосфере возникают в связи с особой конфигурацией распределения объемных поперечников рассеяния в их сечении плоскостью высота-дальность и высотной зависимостью ионо-акустической скорости волн. Экспериментальные данные и модель показывают хорошее взаимное соответствие в конфигурации профилей мощности, скорости, ширины спектра и высоты рассеяния.
В процессе завершения находится исследование интерферометрических ошибок измерения углов места радарами CUTLASS (SuperDARN). Ошибки возникают из-за влияния подстилающей земной поверхности и, как следствие, двух траекторий распространения эхосигнала на его пути к приемной антенне. Основные результаты исследований были представлены на международных конференциях (Uspensky et al, 2000c,d), Симпозиуме Европейского геофизического союза (2 доклада и абстракты) и научно-технических конференциях МГТУ.
8. Компьютерное моделирование физических процессов в газах и плазме (научный руководитель А.А. Намгаладзе)
В рамках этой темы осуществляются исследования физических процессов в околоземном космическом пространстве на основе глобальной численной модели верхней атмосферы Земли, разработанной учёными Западного Отделения ИЗМИРАН, Полярного Геофизического Института и МГТУ (Namgaladze et al., 1988, 1990, 1991, 1998d). Продолжается усовершенствование и развитие самой модели как комплекса алгоритмов и программ решения математических уравнений, моделирующих физико-химические процессы в околоземной среде.
Краткое описание модели. Модель - трёхмерная, глобальная, нестационарная, квазигидродинамическая. Охватывает высоты от 60 до 100 000 км над поверхностью Земли. Учитывает несовпадение географической и геомагнитной осей Земли. Описывает высотные, широтные, долготные, суточные, сезонные вариации мезосферы, термосферы, ионосферы, плазмосферы и внутренней магнитосферы Земли, а также вариации верхней атмосферы Земли с солнечной и геомагнитной активностью.
В качестве моделирующих уравнений численно решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для 5 сортов нейтральных и 5 сортов заряженных частиц с соответствующими начальными и граничными условиями, а также уравнение для потенциала электрического поля магнитосферного и термосферного происхождения.
Входными параметрами модели являются: дата, время и соответствующие им индексы солнечной и геомагнитной активности.
Пространственное разрешение модели - до 1° по широте, 10° по долготе, 1 км по высоте (в нижней ионосфере и мезосфере).
Временное разрешение модели: до 5 мин.
Результаты последних лет. Разработаны алгоритмы численного интегрирования моделирующих уравнений с переменным шагом по широте (Namgaladze et al., 1996b; 1998c). Разработан новый магнитосферный блок модели (Volkov et al., 1996a,b). Исследованы:
Ионосферные и термосферные эффекты геомагнитной суббури над ЕИСКАТ (Namgaladze et al, 1995,
1996a).
Термосферные ветры в окрестностях авроральной зоны. Осуществлена интерпретация наблюдений горизонтальных термосферных ветров над Лопарской, выполненных интерферометром Фабри-Перро (Leontyev et al., 1998).
Эффекты высыпаний мягких электронов и вариаций продольных токов в каспе (Namgaladze et al, 1996c, 1998a).
Диссипация турбулентной энергии в мезосфере (Hall et al., 1998).
Развитие токового клина взрывной фазы суббури (Volkov and Namgaladze, 1996a,b; Волков, Намгаладзе, 2000).
Физические механизмы формирования положительной ионосферной бури (Намгаладзе, Юрик, 1999, 2000; Намгаладзе и др., 1998, 1999, 2000; Namgaladze et al, 1998b, 1999a,b, 2000a,b; Namgaladze and Yurik, 2000a,b; Foerster et al, 1999c).
Принято участие в разработке спутниковых и ракетных проектов исследований реакции верхней атмосферы Земли на геомагнитные бури (Luehr et al., 1998a,b; Foerster et al., 1999a,b,d).
Текущие результаты. Осуществлена модельная интерпретация томографических измерений электронной концентрации, проведённых в различные сезоны при различных уровнях солнечной активности (Намгаладзе, Намгаладзе, 1999; Namgaladze and Namgaladze, 1999; Namgaladze et al., 1999b).
Исследованы долготные эффекты в распределении электронной концентрации в ионосфере и плазмосфере Земли (Мартыненко и др., 2000; Martynenko et al., 2000a,b).
Выполнено моделирование ионосферных, плазмосферных и термосферных эффектов сильной магнитной бури при высокой солнечной активности. Достигнута высокая степень соответствия рассчитанных значений плотности верхней атмосферы измеренным с помощью спутника SETA-1.
Выполнено моделирование пространственного распределения альфвеновской скорости в высокоширотной внешней ионосфере и внутренней магнитосфере (Anderson et al., 2000).
9. Заключение
Таким образом, исследования геофизических процессов в Арктике ведутся в МГТУ широким фронтом с привлечением разнообразных экспериментальных данных (оптических, радарных, спутниковых и др.) и использованием современных математических методов численного моделирования геофизических процессов, в тесной кооперации с учёными Российской Академии Наук, а также Финляндии, Норвегии, Швеции, Германии и США. Уровень этих исследований вполне соответствует мировому, о чём свидетельствуют публикации в ведущих зарубежных журналах (Европейского Геофизического Сообщества и Американского Геофизического Союза).
Ряд работ поддержан грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований (№№ 9405-17321, 95-05-14505, 98-05-64145, 99-05-99421, 00-05-65132).
Литература
Andersson L., Ivchenko N., Clemmons J., Namgaladze A., Gustavsson B., Wahlund J.-E. and Eliasson L.
Electron signatures and Alfven waves. J. Geophys. Res., 2000, in press. Foerster M., Jakowski N., Luehr H., Musmann G., Namgaladze A.A., Proelss G., Schlegel K., Schmidtke G., Schunk R.W., Sojka J.J. and Thiemann H. Global ionospheric/thermospheric response to a magnetic storm - a new rocket project. Proceedings 14th ESA Symposium on 'European Rocket and Balloon Programmes and Related Research', Potsdam, 31 May-3 June 1999, (ESA SP-437, September 1999), p.247-253, 1999b. Foerster M., Luehr H., Reigber C., Koenig R., Namgaladze A. and Yurik R. The CHAMP satellite and its space weather monitoring capability. Proceedings 14th ESA Symposium on "European Rocket and Balloon Programmes and Related Research", Potsdam, 31 May-3 June 1999, (ESA SP-437, September 1999), p.255-259, 1999a.
Foerster M., Luehr H., Reigber C., Koenig R., Namgaladze A.A. and Yurik R.Y. Die CHAMP Satellitenmission und ihr moeglicher Beitrag zur Ueberwachung des Weltraumwetters. Proceedings U.R.S.I.-Landesausschuss, Potsdam, 27.September - 01.0ktober 1999, 1999d. Foerster M., Namgaladze A.A., Yurik R.Yu. Thermospheric composition changes deduced from geomagnetic
storm modelling. Geophysical Research Letters, v.26, N 16, p.2625-2628, 1999c. Hall C.M., Brekke A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.A. Modelling turbulent energy dissipation in the
high-latitude mesosphere. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v.60, N 3, p.331-336, 1998. Leontyev S.V., Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Bogdanov N.N. Thermospheric meridional winds in the vicinity of the auroral zone: Observations and modelling. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v.60, N 2, p.215-226, 1998. Luehr H., Reidberg C., Foerster M., Koenig R., Namgaladze A.A. and Yurik R.A. Sensing the thermospheric density from precise satellite drag measurements. Spring AGUMeeting, Boston, May 2629, 1998, Abstracts, 1998a.
Luehr H., Reidberg C., Foerster M., Koenig R., Namgaladze A.A. and Yurik R.A. Monitoring thermospheric density variations with the CHAMP satellite. ESA-Workshop on 'Space Weather', ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 11-13 November 1998, Abstracts, 1998b. Martynenko O.V., Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Shlykov V.A. Numerical modelling of the longitudinal variations in the near-earth plasma. Physics of Auroral Phenomena, XXIII Annual Apatity Seminar, Abstracts, Preprint PGI-00-01-108, p.37, 2000a. Martynenko O.V., Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Shlykov V.A. Numerical modelling of the longitudinal variations in the ionosphere and plasmosphere of the Earth. International Conference on Problems of Geocosmos. Book of Abstracts. St.-Petersburg, p.55, 2000b. Namgaladze A.A. and Namgaladze A.N. An attempt of reproducing the ionospheric tomography data using the global upper atmosphere model/ Physics of Auroral Phenomena, XXII Annual Apatity Seminar, Abstracts, Preprint PGI-99-01-107, p.38, 1999. Namgaladze A.A. and Yurik R.Yu. Global ionosphere-protonosphere storm modelling. Physics of Auroral
Phenomena, XXIII Annual Apatity Seminar, Abstracts, Preprint PGI-00-01-108, p.38, 2000a. Namgaladze A.A. and Yurik R.Yu. Global modelling of the storm time behaviour of the coupled ionosphere-thermosphere-protonosphere system. International Conference on Problems of Geocosmos. Book of Abstracts. St.-Petersburg, p.57-58, 2000b. Namgaladze A.A., Foerster M. and Yurik R.Yu. Analysis of the positive ionospheric response to a moderate geomagnetic storm using a global numerical model. Annales Geophysicae, v.18, N 4, p.461-477, 2000b.
Namgaladze A.A., Foerster M. and Yurik R.Yu. Global ionosphere-thermosphere storm modeling. Physics of Auroral Phenomena, XXII Annual Apatity Seminar, Abstracts, Preprint PGI-99-01-107, p.39, 1999a.
Namgaladze A.A., Foerster M. and Yurik R.Yu. Global numerical modelling of thermospheric composition changes and its ionospheric response for a moderate geomagnetic storm. Fall AGU Meeting, San Francisco, California, December 6-10, 1998, Paper SM32C-07, 1998e.
Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushchenko T.A. and Naumova N.M. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. Pure and Applied Geophysics, v.127, p.219-254, 1988.
Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushchenko T.A. and Naumova N.M. Global numerical model of the thermosphere, ionosphere, and protonosphere of the Earth. Geomagn. Aeronomy (in Russian), v.30, p.612-619, 1990.
Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Surotkin V.A. and Naumova N.M. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. JAtmos.Terr.Phys., v.53, p.1113-1124, 1991.
Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Surotkin V.A., Bessarab F.S. and Smertin V.M. Numerical modelling of the global coupling processes in the near-earth space environment. COSPAR Coll.Ser, v.5, p.807-811, 1994.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.N. Global model of the upper atmosphere with variable latitudinal steps of numerical integration. IUGG XXI General Assemb1ly, Boulder, 1995, Abstracts, GAB41F-6, B150, 1995b, and (in Russian) Geomagn. Aeronomy, v.36, p.89-95, 1996b.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.N. Global model of the upper atmosphere with variable latitudinal integration step. Geomagnetism and Aeronomy International, v.1, N 1, p.53-58, 1998c.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.N. Numerical simulation of substorm ionospheric variations observed by EISCAT by the use of the self-consistent ionosphere-thermosphere model including electric field calculations. VIIInternational EISCAT Workshop, Cargese, Abstracts, p.114, 1995.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Namgaladze A.N., Volkov M.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V. and Bessarab F.S. Numerical simulation of the ionospheric disturbance over EISCAT by the use of the global ionospheric model. JAtmos.Terr.Phys, v.58, p.297-306, 1996a.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Volkov M.A., Namgaladze A.N. and Yurik R.Yu. High-latitude version of the global numerical model of the Earth's upper atmosphere Proceedings of the MSTU, v.1, N 2, p.23-84, 1998d.
Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Volkov M.A. Numerical modelling of the thermospheric and ionospheric effects of magnetospheric processes in the cusp region. Ann. Geophysicae, v.14, p.1343-1355, 1996c.
Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Volkov M.A. Seasonal effects in the ionosphere-thermosphere response to the precipitation and field-aligned current variations in the cusp region. Annales Geophysicae, v.16, N 10, p.1283-1298,1998a.
Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Yurik R.Yu. Global modelling of the quiet and disturbed upper atmosphere. 2-nd TIGER Symposium, St-Petersburg, Abstracts, p.44-45, 1999b.
Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. and Yurik R.Yu. Global modelling of the quiet and disturbed upper atmosphere. Physics and Chemistry of the Earth, v.25, N 5-6, p.533-536, 2000a.
Namgaladze A.A., Yurik R.Yu. and Foerster M. Numerical modelling of the Earth's upper atmosphere during a geomagnetic storm. Annales Geophysicae, Suppl.III to v.16, p.891, 1998b.
Pivovarov V.G., Sverdlov Yu.L., Sergeeva N.G. and Lytkin V.N. A new approach to the determination of the E-region drift velocity using radar aurora Doppler spectral shape. J. Atmosp. and Terrest. Physics, v.58, N 1-4, p.489-494, 1996.
Uspensky M.V., Eglitis P., Opgenoorth H., Starkov G., Pulkkinen T. and Pellinen R. On auroral dynamics observed by HF radar: 1. Equatorward edge of the afternoon-evening diffuse luminosity belt. Ann Geophysicae, 2000a, resubmited.
Uspensky M.V., Eglitis P., Partamies N., Starkov G., Fabirovsky A., Opgenoorth H., Pulkkinen T. and Pellinen R. Hf radar observations of an isolated substorm after prolonged quiet geomagnetic conditions. ICS-5 Proceedings, St.-Petersburg, May, 2000c.
Uspensky M.V., Eglitis P., Partamies N., Starkov G., Fabirovsky A., Opgenoorth H., Pulkkinen T. and Pellinen R. Multi-radar observations of an isolated substorm development in early evening to midnight sector. Proceedings of the International Conference SD-2000, La Trobe University, Australia, 2000d.
Uspensky M.V., Koustov A.V., Eglitis P., Huuskonen A., Milan S.T., Pulkkinen T. and Pirjola R.
CUTLASS HF radar observations of high-velocity E-region echoes. Ann. Geophysicae, 2000b, submitted.
Volkov M.A. and Namgaladze A.A. Model calculations of the field-aligned currents and electric fields during the substorm expansion phase. Geomagn. Aeronomy (in Russian), v.36, p.(4)38-(4)44, 1996a.
Volkov M.A. and Namgaladze A.A. Models of field-aligned currents needful to simulate the substorm variations of the electric field and other parameters observed by EISCAT. Ann. Geophysicae, v.14, p.1356-1361, 1996b.
Volkov M.A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.A. MHD-magnetospheric block for the global numerical model of the Earth's upper atmosphere. "Physics of Auroral Phenomena", Proc. XIX Annual Seminar, Apatity, p.101-102, 1996a.
Volkov M.A., Martynenko O.V. and Namgaladze A.A. Numerical simulation of the field-aligned current and electric field variations and their ionospheric and thermospheric effects using a joint ionosphere-thermosphere-magnetosphere model. International Conference on Problems of Geocosmos. Book of Abstracts. St.-Petersburg, p.114-115, 1996b.
Боголюбов A.A., Власков B.A., Оглоблина О.Ф. Длиннопериодные вариации интенсивности частичных отражений в авроральной зоне. Физика авроралъных явлений XII Ежегодный Апатитский семинар, 23-26марта 1999г., КНЦРАН, Апатиты, Тезисы докладов, с.39-40, 1999.
Васильев Е.Б., Калитёиков Н.В., Овчинников Н.А., Попов А.А. Взаимодействие незамедленных радиоволн с авроральными электронами в неоднородной полярной ионосфере. В сб. Тезисы десятой научно-технической конференции, Мурманск, с.305-306, 1999а.
Васильев Е.Б., Калитёнков Н.В., Овчинников Н.А., Попов А.А. Горизонтальная структурированность и отражающие свойства нижней полярной ионосферы. В сб. Тезисы X научно-технической конференции, Мурманск, с.309, 1999в.
Васильев Е.Б., Калитёнков Н.В., Овчинников Н.А., Попов А.А. Измерение температуры полярной ионосферы на высотах 70-90 км радиофизическим методом. В сб. Тезисы X научно-технической конференции, Мурманск, с.307, 19996.
Волков М.А., Намгаладзе А.А. Влияние электрического поля магнитосферной конвекции на формирование продольных токов взрывной фазы суббури. Геомагнетизм и аэрономия, т.40, 2000 (в печати).
Калитёнков А.Н. Исследование неоднородной структуры высокоширотной ионосферы методом возвратно-наклонного радиозондирования. В сб. Тезисы студенческой научно-технической конференции, Мурманск, с.49-50, 1999.
Калитёнков А.Н. Исследование развития аврорального возмущения методом ВИЗ. В сб. Физика и методы исследования высокоширотной ионосферы, Мурманск, с.25-26, 2000а.
Калитёнков Н.В. Влияние неоднородностей высокоширотной ионосферы и пучков авроральных электронов на характеристики радиосигналов декаметрового диапазона. В сб. Тезисы X научно-технической конференций, Мурманск, с.308, 19996.
Калитёнков Н.В. Озон и особенности распространения ультракоротких радиоволн. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.614, 20006.
Калитёнков Н.В., Буч О.В., Калитёнков А.Н. К вопросу об оптимизации работы мощных загоризонтных радиолокаторов. В сб. Материалы юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию МГТУ, Мурманск, с.92-93, 2000а.
Калитёнков Н.В., Буч О.В., Калитёнков А.Н. Особенности работы мощных РТС KB диапазона. В сб. Материалы юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию МГТУ, Мурманск, с.100-101, 20006.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Методика обеспечения KB радиосвязи на стационарных радиолиниях и с подвижными наземными, морскими и воздушными объектами. В сб. Материалы юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию МГТУ, Мурманск, с.96-97, 2000а.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Особенности умножения частоты мощных радиосигналов при ионосферном распространении. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.615, 20006.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе А4: Влияние геомагнитных возмущений на частотный спектр и амплитуду радиосигналов на трассах, пересекающих авроральную зону. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.615-616, 2000в.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе A4: Геомагнитные возмущения и характеристики КВ радиосигналов, распространяющихся вдоль авроральной зоны. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.613, 2000г.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе A4: Ионосфера как плазменный смеситель частот радиосигналов. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.616-617, 2000д.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе A4: Ионосферное параметрическое преобразование частоты AM радиосигналов. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.618, 2000е.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе A4: Ионосферный магнитный НЧ излучатель. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.619, 2000ж.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Радиосвязь в районе A4: Параметрическая демодуляция радиосигналов в ионосфере. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.617-618, 2000з.
Калитёнков Н.В., Калитёнков А.Н. Управление характеристиками ионосферного магнитного излучателя. В сб. Материалы юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию МГТУ, Мурманск, с.98-99, 2000и.
Калитёнков Н.В., Трошенков В.Е. Активность Солнца в радиодиапазоне и авроральные возмущения. В сб. Тезисы XI научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.612, 2000.
Мартыненко О.В., Намгаладзе A.A., Намгаладзе А.Н., Шлыков В.А. Численное моделирование долготных вариаций электронной концентрации в ионосфере и плазмосфере Земли. Тезисы докл. 11-й научно-техн. конф. МГТУ, с.390-391, 2000.
Намгаладзе A.A., Мартыненко О.В., Волков М.А., Намгаладзе А.Н., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование крупномасштабных возмущений верхней атмосферы Земли. Моделирование процессов в верхней полярной атмосфере, ПГИКНЦРАН, Апатиты, c.167-249, 1998.
Намгаладзе A.A., Намгаладзе А.Н. Сравнение томографических и модельных представлений ионосферы над Скандинавией. Тезисы докл. 10-й научно-техн. конф. МГТУ, c.311-312, 1999.
Намгаладзе A.A., Фёрстер М., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование термосферных и ионосферных эффектов геомагнитной бури. Коллективная монография "Физика околоземного космического пространства", КНЦ РАН, Апатиты, с.336-360, 2000.
Намгаладзе A.A., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование возмущений верхней атмосферы Земли. Конкурс РФФИ научно-популярных статей 1999 г., Поиск, № 48(550), с.11, 1999.
Намгаладзе A.A., Юрик Р.Ю. Численное моделирование глобального поведения ионосферы, термосферы и протоносферы Земли во время магнитных бурь. Тезисы докл. 11-й научно-техн. конф. МГТУ, c.391-392, 2000.
Пивоваров В.Г., Свердлов Ю.Л., Сергеева Н.Г., Аринин В.А., Лыткин В.Н. Функция распределения случайных вихревых скоростей в турбулентном ионосферном токе. Вестник МГТУ, Мурманск, т.1, № 1, С.67-80, 1998.
Свердлов Ю.Л. Авроральные неоднородности и Фарлей-Бунемановская неустойчивость. Вестник МГТУ, Мурманск, т.3, № 1, с.129-136, 2000.
Свердлов Ю.Л. Пространственно-временной подход к анализу неустойчивости Фарлея-Бунемана, Радиофизика, Известия ВУЗов, т.31, №7, С.791-798, 1988.
Свердлов Ю.Л. Реальные статистические характеристики столкновительного процесса в слабоионизованной плазме. В кн.: Моделирование процессов в верхней полярной атмосфере, ПГИ КНЦ РАН, Мурманск, С.311-357, 1998.
Суровцев С.С. Спектральный и корреляционный метод обработки радиосигналов, испытывающих отражение от полярной летней мезосферы. Физика и методы исследования высокоширотной атмосферы, Первая региональная научная студенческая конференция, Мурманск, 15-16 мая 2000 г., Тезисы докладов, с.22, 2000.
Суровцев С.С., Власков В.А. Спектральный и корреляционный метод обработки радиосигналов, испытывающих отражение от полярной летней мезосферы. Тезисы докл. студенческой научно-техн. конф. МГТУ, c.36, 2000.
