WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |

Приведенный в 1.4 набор свойств спектральных функций G( f ) и ( f ) позволяет оценить резонансную частоту силовой линии между двумя станциями, ширину резонансной области, и градиент альвеновской частоты в магнитосфере.

Модифицированный градиентный метод для горизонтально-неоднородной земной коры.

Наличие горизонтальных геоэлектрических неоднородностей может существенно исказить структуру падающего поля пульсаций. Влияние геоэлектрической неоднородности выражается в изменении амплитудного отношения G( f ) на некоторый коэффициент М и появлении дополнительного фазового сдвига 0. Эти искажения удается рассчитать при предположении, что эти неизвестные коэффициенты слабо зависят от f в ограниченном частотном диапазоне вблизи резонансной частоты.

В результате, модифицированный градиентный метод дает возможность рассчитать параметры резонансной структуры даже для данных, искаженных влиянием геоэлектрических неоднородностей.

Амплитудно-фазовый градиентный метод. Согласно резонансной теории спектр резонансной компоненты сигнала может быть представлен в виде аналитического соотношения (2) с особенностью в комплексной плоскости. Исходя из теоретических соотношений для G( f ) и ( f ), можно получить соотношение для расчета расстояния xR ( f ) до резонансной оболочки на каждой частоте по наблюдательным данным [Гульельми], а затем обращая зависимость xR ( f ) fR (x) - непрерывное широтное распределение резонансной частоты fR (x). В рамках этого же подхода можно восстановить вид спектра пульсаций b0( f ), неискаженного влиянием резонансных эффектов.

Поляризационные методы изучения резонансной структуры поля пульсаций используют амплитудные и фазовые соотношения между различными компонентами в одной точке. Различная «чувствительность» разных компонент УНЧ волн к резонансной особенности (1) указывает, что информация о резонансной частоте может быть извлечена не только из пространственной структуры волн, но также и из их поляризационных свойств.

Если диссипация в системе очень мала, то из выражения для отношения комплексных спектров H(f)/D(f) следует, что при пересечении резонансной оболочки направление вращения горизонтального вектора должно измениться. Когда добротность МАР невелика, то эффект смены поляризации может проявиться только на оболочках, смещенных относительно резонансной. В этом случае поляризационные особенности горизонтальных магнитных компонент сложно использовать для практического определения резонансных частот, так как смещение точки обращения поляризации от резонансной зависит от трудно определяемых параметров. Поэтому в отличие от предсказаний первых работ по теории МАР [Chen & Hasegawa, Southwood] изменение знака поляризации оказывается ненадежным методом для определения fR в реальной магнитосфере.

Поскольку резонансный отклик магнитосферы (1) характеризуется резко выраженной асимметрией между H и D компонентами, а спектр источника влияет на обе компоненты одинаковым образом, то даже тогда, когда резонансный отклик замаскирован спектром источника, отношение H(f)/D(f) выявит максимум на резонансной частоте силовой линии, проходящей через точку наблюдения [Баранский].

Поляризационный метод, основанный на резонансных свойствах вертикальной магнитной компоненты. Появление вертикальной компоненты BZ геомагнитных пульсаций у земной поверхности отражает наличие горизонтальных неоднородностей либо геоэлектрической структуры земной коры, либо самого поля пульсаций. Таким образом, использование BZ компоненты поля пульсаций может оказаться перспективным для выделения резонансных особенностей пространственной структуры поля пульсаций. В случае сильного скин-эффекта (это условие хорошо выполняется для типичных Pc3-пульсаций над низкоомными разрезами), если пренебречь вкладами компоненты D и неоднородностью импеданса земной поверхности, BZ компонента в резонансной точке имеет более сильную особенность (x - xR )-2, чем H компонента (x - xR )-1. Появление максимума BZ составляющей в пространственном распределении амплитуды вдоль земной поверхности под резонансным пиком в ионосфере представляет собой специфическую особенность резонансной пространственной структуры, так как синфазные локализованные ионосферные токи создали бы на земле минимум BZ.

Следовательно, для определения резонансной частоты с использованием многокомпонентных магнитных данных, в дополнение к H(f)/D(f) отношению можно использовать отношение BZ ( f ) / D( f ), которое должно иметь резкий пик на локальной резонансной частоте. Приведенные в 1.аналитические оценки хорошо согласуются с результатами численного расчета в 1.3 приземной структуры УНЧ волн в резонансной области.

Гидромагнитная диагностика с использованием магнитных и электрических компонент.

Резонансные особенности BZ компоненты лежат в основе другого поляризационного метода наземной гидромагнитной диагностики. Из граничного условия для компонент поля УНЧ волн над хорошо проводящей земной корой можно получить соотношение между спектрами компонент BZ ( f ) и Ey ( f ).

Численные расчеты и теоретические оценки показывают, что на частоте альвеновского резонанса отношение спектральных плотностей |B (f)/E (f)| имеет локальный максимум, а компоненты B и E Z Y Z Y должны быть синфазны. Более того, удается получить соотношения, которые позволяют по данным МТЗ наблюдений, включающих не только магнитные, но и электрические компоненты, определить расстояние до резонансной силовой линии с заданной частотой. Обращая зависимость xR ( f ) fR (x), можно восстановить широтный профиль резонансной частоты в окрестности точки наблюдения по данным только одной обсерватории [Гульельми]. Таким образом, данные МТЗ наблюдений могут обогатить набор методов гидромагнитной диагностики. Однако, этот метод можно применить только для условий низкоомных подстилающих пород, когда справедливо условие сильного скин-эффекта. Возможные искажения, вносимые в результаты этого метода конечным сопротивлением земной коры, рассматриваются с помощью численной модели в 2.1.

Метод годографа. В 1.4 предложен новый метод определения частоты МАР, основанный на расчете годографа отношения комплексных спектров сигнала на двух станциях. Идея данного метода опирается на геометрические свойства преобразования, описываемого аналитическими соотношениями (2) резонансной теории. Регистрируя Н компоненту УНЧ сигнала на двух станциях меридионального профиля, можно найти отношение их комплексных спектров X +1+ i R( f ) = G( f )ei ( f ) = (3) X -1+ i Здесь введена безразмерная координата X = (x - xC ) /(x / 2) и нормированная ширина резонанса = /( x / 2). При изменении частоты f точка x = x (f) пробегает всю действительную R ось, при этом ее образ R{x(f)} пробегает на комплексной плоскости некоторую кривую – годограф (рис.4). Этот годограф обладает рядом замечательных свойств, которые делают его весьма удобным и информативным средством представления данных. Правая часть формулы (3) для R(f), по существу, задает дробно-линейное преобразование комплексной плоскости X в комплексную плоскость R, которое переводит совокупность прямых в окружности.

В 1.4 получен ряд соотношений для преобразования годографа, опираясь на которые можно по данным градиентных измерений определить характерные резонансные частоты, ширину резонанса и добротность МАР, и искажения за счет неоднородностей геоэлектрики. Применение годографа имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартным градиентным методом: он позволяет контролировать степень соответствия экспериментальных данных теоретической модели во всем частотном интервале и дает более устойчивые оценки. Кроме того, этот метод дополнительно позволяет по данным измерений в двух точках получить непрерывное распределение резонансных частот в интервале широт, выходящем за широту точек наблюдения. Для применения этого метода была разработана специальная интерактивная программа, в настоящее время распространенная среди специалистов по гидромагнитной диагностике.

Эксперименты по выделению резонансных эффектов Для изучения локальной структуры поля Рс3–4 и Pi2 пульсаций проводилась серия специализированных экспериментов на разных широтах, описываемых в 1.5. Впервые цифровые методы кросс-спектрального анализа были применены нами к обработке данных советско-германского эксперимента на градиентных парах вблизи станций Согра (L=3.6) и Niemegk (L=2.7). Градиентный метод показал, что неэквидистантный спектр Pc3 пульсаций во внутренней магнитосфере образуется нечетными гармониками альвеновских колебаний (имеющими в экваториальной плоскости пучность смещения плазмы), что качественно согласуется с гипотезой о внемагнитосферном источнике этих пульсаций. Также градиентный метод подтвердил предположение об альвеновском резонансе для Piсигналов внутри плазмосферы. В целом резонансная теория качественно описывает основные характерные особенности градиентов поля дневных и ночных пульсаций, но при количественных оценках для высоких гармоник возникало противоречие с теорией тонкой ионосферы. Для слежения за временной динамикой МАР нами была разработана процедура градиентно-временного анализа, основанная на сравнении цифровых динамических спектров сигналов на разных станциях.

Дифференциальная амплитудная сонограмма Pc3-4 пульсаций отчетливо показывает наличие линии обращения градиента H(N)(f)–H(S)(f), обусловленной теоретически предсказываемым селективным усилением высокочастотной части сигнала на южной станции по сравнению с северной.

Дифференциальная фазовая сонограмма показывает, что для всех волновых пакетов хорошо выделяется частота экстремального значения фазовой разности, отвечающая резонансной частоте.

Градиентно-временной метод в дальнейшем получил широкое распространение [Waters, Kawano].

В экспериментах в Колорадо и Киргизии синхронная регистрация пульсаций электромагнитного поля Земли велась на сети станций с разносом ~100-200 км, расположенных вдоль геомагнитного меридиана. Станции находились в резко неоднородных геоэлектрических условиях, и было не ясно, насколько существенно скажутся геоэлектрические неоднородности на результатах градиентного метода. Результаты эксперимента показали, что модифицированный градиентный метод позволяет определить резонансные эффекты Рс3-4 пульсаций даже для данных, искаженных влиянием геоэлектрической неоднородности подстилающих пород. Сравнение градиентных и поляризационных методов для определения собственной частоты силовых линий, ее радиального градиента и ширины резонансной области продемонстрировало применимость этих методов в качестве инструмента гидромагнитной диагностики магнитосферы.

При анализе данных наблюдений на сети среднеширотных станций 210 ММ идентифицировать резонансные частоты Pc3-4 колебаний удалось однозначным образом провести с помощью квазиградиентного метода, использующего данные почти сопряженных станций. Используя экспериментально определенный набор резонансных частот, был восстановлен характер распределения магнитосферной плазмы, как в радиальном направлении, так и вдоль силовой линии, хорошо согласующийся со спутниковыми результатами.

Поляризационный метод диагностики, использующий отношение спектральных плотностей горизонтальных магнитных компонент, был успешно апробирован по данным эксперимента по синхронной регистрации Рс3-4 пульсаций на среднеширотных станциях Niemegk и Laquila.

Как предсказывает теоретическая модель в 1.2, качественно новые особенности МАР могут проявиться на низких геомагнитных широтах (ниже 30о), где значительная часть силовой линии оказывается погруженной в ионосферную плазму. Данные цепочки станций 210 MM действительно выявили резкое ухудшение добротности Рс3 колебаний по мере приближения к экваториальным широтам. Кроме того, поляризационным H/D методом на низких широтах обнаружен аномальный ход резонансного периода – рост TR () с уменьшением широты (рис.5), предсказываемый разработанной численной моделью ионосферно-магнитосферного резонатора. Совместный анализ ионосферных и магнитосферных данных показывает, что наземные наблюдения УНЧ пульсаций могут использоваться не только на средних, но и на низких широтах для мониторинга плотности плазмы в плазмосфере, где спутниковые наблюдения оказываются неэффективными.

Амплитудно-фазовый градиентный метод был успешно апробирован при анализе данных наблюдений на сети низкоширотных станций в Японии. Этот метод также подтвердил наличие аномальной зависимости TR () на низких широтах.

Метод годографа был применен нами для определения широтной зависимости резонансной частоты МАР по данным меридиональной сети станций в Скандинавии. Пример широтного распределений fR (X ) и (X ), восстановленных методом годографа по данным эксперимента BEAR, показан на рис.6.

Проведенные эксперименты позволили сформулировать основные подходы к задаче гидромагнитной спектроскопии, т.е. идентификации спектральных пиков УНЧ излучений.

Оптимальным образом для гидромагнитной спектроскопии необходимо сочетание станций с малыми (~100 км) базами, позволяющими выделить локальные резонансные частоты, и большими (~1000 км) базами, необходимыми для определения глобальной структуры волн. Потенциальные возможности апробированных методов наземного УНЧ мониторинга распределения плазмы в магнитосфере позволяют говорить о создании “гидромагнитной сейсмологии” околоземного пространства.

Глава II. Ионосферное распространение УНЧ волн В Гл.2 рассмотрена возможность существования специфических низкочастотных МГД мод, которые могут распространяться вдоль ионосферы. В таком случае, ионосфера уже не являлась бы просто пассивным экраном, отражающим волновые процессы в магнитосфере достаточно больших масштабов, а могла быть приводить к более сложной картине интерферирующих сигналов.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»