CC BY
1УДК 551.509.336
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ОТРАЖЕНИЯ ПРИ АВРОРАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЯХ
Щербинко А.В.
доктор технических наук, действительный член Академии Военных наук
RADAR REFLECTIONS DURING AURORAL PHENOMENA
A. V. Shcherbinko
Doctor of Technical Sciences, full member of the Academy of Military Sciences DOI: 10.31618/NAS.2413-5291.2023.1.95.807
АННОТАЦИЯ
Северное сияние, также известное как аврора бореалис, представляет собой естественное световое явление, которое возникает в результате взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с атмосферой Земли. Это явление обычно наблюдается в полярных регионах, особенно в периоды высокой солнечной активности. В народе в старину это явление называли — Пазори. Влияние явления северного сияния на радиолокационные системы (РЛС) может быть различным и зависит от интенсивности и продолжительности северного сияния, а также от характеристик самой РЛС.
ABSTRACT
The Northern Lights, also known as Aurora borealis, are a natural light phenomenon that occurs as a result of the interaction of charged solar wind particles with the Earth's atmosphere. This phenomenon is commonly observed in polar regions, especially during periods of high solar activity. In the old days, people called this phenomenon P^zori. The effect of the northern lights on radar systems can vary and depends on the intensity and duration of the northern lights, as well as on the characteristics of the radar itself.
Ключевые слова: Авроральные овалы, северное сияние, радиолокационные системы, ионизированные области.
Keywords: Auroral ovals, northern lights, radar systems, ionized areas
Но где ж натура твой закон?
С полночных стран встает заря Не Солнце ль ставит там свой ТРОН?
Не льдисты ль мещут огнь моря?
Се хладный пламень нас покрыл!
Се в ночь на землю день вступил!...
Вечернее размышление о Божием Величестве при случае Великого Северного сияния.
М. Ломоносов
Прежде всего необходимо понятийной аппарат привести в соответствие с реально происходящими физическими процессами. Термин
«радиолокационные отражения от полярных сияний» не соответствует физике процесса и на бытовом уровне удобен лишь благодаря относительной краткости. Как явление «полярное сияние», всего лишь оптический объект, который не может отражать радиоволн. На самом деле, радиолокационные отражения «от полярных сияний» это отражения от связанных с ними областей повышенной ионизации. Термин «авроральные возмущения», который за последнее время стал употребляться для обозначения совокупности процессов, происходящих в зонах полярных сияний в периоды возмущений, удобен в силу краткости. Термин «авроральные радиолокационные отражения» в этом случае является наиболее правильным для обозначения отражений от ионосферы в периоды авроральных возмущений. Это понятие, может быть, вообще
является научно правильным, вместо словосочетания «радиоотражений от полярных сияний», являющемуся, по существу, физически неверным.
Природа полярных сияний, несмотря на обилие научных публикаций, еще до конца не изучена. Существует множество математических моделей связанных с отражением радиоволн от ионизированной области авроральных явлений в северных широтах. Также в литературе достаточно часто встречается описание механизмов явления и процессов, проходящих в области отражений радиоволн от ионизированных областей во время авроральных процессов.
Обращаясь к истории вопроса можно констатировать, что проведена огромная работа учеными всех стран, в вопросе изучения отражений радиоволн в северных широтах.
Одно из первых специальных радио исследований авроральных явлений было проведено в Тромсё в 1940 г. «Радиоэхо» малой амплитуды, совпадающие по времени с появлением полярных сияний, наблюдались на частотах 40 МГц. Затем радионаблюдения авроральных явлений были проведены в Оттаве в августе 1948 г. Было обнаружено, что скорости перемещения ионизированных областей, были в пределах 470— 940 м/сек.
Радионаблюдения за авроральными явлениями в Кируне (Швеция), проводившиеся с мая 1951 г. по март 1952 г., вскрыли тесную связь оптических сияний с магнитными возмущениями. Средняя
высота отражений в Кируне, определенная радиолокатором, оказалась равной 120 км.
Наблюдения за авроральными явлениями в Канаде проводились, начиная с 1948 г., на трех частотах: 3000, 106,5 и 56 МГц. Однако отраженные импульсы были получены только на двух последних частотах, соответствующих длинам волн 2,82 м и 5,35 м. Отношение амплитуд одновременных радиоэхо этих двух частот изменялось в широких пределах. Эхо от 56 МГц появлялось чаще, раньше и продолжалось дольше, чем эхо от 106 МГц. Эхо от ионизированной области имело сложную тонкую структуру и быстро менялось. Наличие такой тонкой структуры эха говорит о существовании в сиянии множества отражающих центров. Отражения лучше получались при низких сияньях средней яркости, имеющих лучистую структуру. Это заставляет предположить, что радиоволны отражаются в том случае, если они падают перпендикулярно к поверхности оптических сияний лучистой структуры.
Обработкой данных обнаружено, что отражения на частотах 106 МГц чаще следовали от областей, расположенных близко к зоне сияний, а на частотах 56 МГц — от мест, расположенных
южнее зоны. Отношение числа одновременных эхо, полученных на частотах 56 МГц и 106 МГц, обнаруживает резкий максимум на геомагнитной широте 67°. Этот факт показывает, что имеет место уменьшение к югу числа случаев авроральными явлениями, способных отражать радиоволны, посылаемые радиолокатором. По-видимому, области с большой ионной плотностью, хорошо отражающие радиоволны, связанные с сияниями, образуются чаще вблизи зоны сияний [1].
Сравнения высот оптических полярных сияний и полученных с помощью радиолокатора показывают (рис. 1), что радиоотражения от ионизированных областей на согласуются с данными, полученными фотографическими методами. Интересно отметить, что по наблюдениям в марте и мае 1952 г. радиоэхо на 56 МГц дало увеличение числа случаев отражений около 7 часов утра по местному времени, когда было светло и визуально сияний уже нельзя было обнаружить.
Интенсивность суточных явлений связана с положением Солнца по отношению к экватору (рис. 2). При усилении активности Солнца интенсивность радиолокационных отражений значительно возрастает.
Рис.1. Высоты полярных сияний полученные визуальным (фотографическим) и радиолокационным
методом
60 50
¿0
5»
| 50 £
I ?.о
I ю
о
и
\
/2 /С /6 18 20
10 /2 Врстя местное
Рис.2. Влияние суточного положение Солнца к экватору на интенсивность радиоотражений проводившиеся с мая 1951 г. по март 1952 г. в Кируне (Швеция)
Под действием солнечного излучения происходит ионизация атмосферных газов — образуются свободные электроны, оторванные от атомов, и положительные ионы. Если задать интенсивность солнечного излучения и сечения взаимодействия этого излучения с атмосферными газами, то можно рассчитать скорость ионизации при разных условиях. Излучение Солнца, естественно, зависит от его зенитного угла.
Электронные плотности в авроральных явлениях, по данным радионаблюдений, составляют от 105 до 108 электронов на 1 см3, что может соответствовать различным электронным плотностям разных сияний. Интересные радионаблюдения над авроральными явлениями были проведены на относительно низких геомагнитных широтах в Университете Станфорд (ф = 43,8°) Для локации авроральных явлений использовались более низкие частоты — 6,43, 12,86 и 17,31 МГц. Отражения были получены от больших высот, нежели те, на которых обычно
наблюдаются сияния, и с больших дальностей (1600—4700 км). Интенсивность отраженных сигналов была необычайно велика [2].
Радиолокационные исследования авроральных явлений в России и их влияние на радиолокацию ведутся непрерывно в Мурманской области и еще на нескольких арктических станциях.
Наблюдая с помощью аналоговых РЛС радиотехнических войск ВКС расположенных в полярных широтах [3] можно также определить, что в метровом диапазоне волн (1,5-2м) наблюдались наиболее сильные отражения от авроральных явлений. На начальном этапе авроральных явлений интенсивность отражений резко возрастала, при этом уровень шума приемника РЛС увеличивался в 1,5-2 раза, затем отражения уменьшались и распадались на области с меньшими по протяженности отражениями. (Рис.3). В сантиметровом и дециметровом диапазоне волн отражения наблюдались слабее.
Рис.3. Отражение радиоволн разной степени интенсивности от области полярного сияния
(метровые волны)
Наблюдения с помощью современных цифровых РЛС показали, что отражения от плотных сгустков ионизированных областей при
авроральных явлениях имеют различные скорости и попадают в различные доплеровские фильтры. При этом, было замечено, что в одной и той же
области сгустка ионизированных газов, радиальные скоростные характеристики радиоотражений меняются с отрицательных на
положительные и обратно. Сначала наблюдается движение на антенну РЛС, а затем с огромными скоростями от РЛС.
Рис.4. Вид авроральных отражений на экране цифровыхРЛС
Судя по доплеровским фильтрам, скорости движения при колебаниях составляют 1,5-2 Мах. (Мах - скорость звука). Эти движения имеют свойства колебательного характера. Можно предположить, что происходит колебания сгустков свободных электронов в магнитном поле Земли подобно колебанию натянутой струны. Следовательно, возникают низкочастотные волны и, возможно, широкий спектр радиоволн. Колебания сгустков в ионизированных газах, предположительно не связаны с перемещением самих газов, которые представляют собой достаточно однородную среду. Скорее всего, это
относится к колебаниям самой области ионизации. Эту гипотезу подтверждают исследования [4]. В результате измерений электрической компоненты электромагнитного излучения, полученные в эксперименте ПОЛЬРАД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 в диапазоне частот от 4 кГц до 1 МГц. Частотное временное разрешение эксперимента составляло 4 кГц и 6 с, соответственно [7]. В эксперименте анализировались амплитудно-частотные
характеристики аврорального километрового радиоизлучения (АКР). Особое внимание было уделено низкочастотной части спектра.
Рис. 5. Схема эксперимента ПОЛЬРАД
Таким образом, по измерениям АКР в эксперименте ПОЛЬРАД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 найдены волноводные моды в источнике излучения. Это указывает на то, что распределение плотности в источнике АКР неоднородно, неоднородности вытянуты вдоль магнитного поля и формируют волновод, который определяет характеристики диаграммы направленности излучения. Размеры волновода вдоль магнитного поля составляют несколько тысяч километров, что
вполне согласуется с ранее опубликованными теоретическими моделями.
Выводы и предложения. Изучение колебаний областей ионизации подлежит тщательному дальнейшему изучению [4]. Необходимо приборным способом исследовать природу и закономерность таких авроральных колебаний ионизированных областей. Понимание механизмов и природы авроральных явлений позволит создать более точную модель строения околоземного пространства.
Авроральные овалы (овал Фельдштейна) в северном и южном полушариях являются теми местами, через которые Космос оказывает самое эффективное воздействие на процессы на Земле. Изменения в плотности заряженных частиц, вторгающихся в эти овалы, вызывают изменения в процессах в полярной атмосфере, которые сказываются на многих сторонах биологической жизни на Земле. В результате этого вторжения изменяется содержание озона, электрический потенциал ионосферы, происходит нагрев ионосферной плазмы, что порождает планетарные волны. Эти процессы самым непосредственным образом связаны с формированием погоды на Земле. Вторжение заряженных частиц в авроральные овалы вызывают повышение электропроводности ионосферы, в результате чего на высотах около 100 км текут огромные электрические токи в десятки тысяч ампер. Эти токи влияют на магнитное поле Земли, что сказывается на состоянии здоровья людей. Таким образом, действие Космоса на неживую и на живую природу Земли через эти авроральные овалы не вызывает сомнений. [5]. Дальнейшее комплексное исследование авроральных явлений и геофизического состояния планеты является актуально задачей. Хотя на сегодняшний день уже много сделано для ее решения, но нельзя оставаться на достигнутом, необходимо двигаться дальше.
Литература
1. С.И. Исаев, и д.р., Полярные сияния. // М.: Издательство академии наук СССР, 1958. - 112 с
2. С. И. Исаев Морфология полярных сияний. // Л.: Наука,1968. 167 с.
3. Шустов Э. И., Щербинко А.В., Влияние авроральных явлений на радиолокационные станции (РЛС). //Статья. ISSN 34567-1769 Международный Научный Институт "Educatio", г. Новосибирск, ежемесячный научный журнал № 4 (11), 2015, ЧАСТЬ 4
4. М. М. Могилевский, И. Л. Моисеенко, Т. В. Романцова, Я. Ханаш, Т. М. Буринская, Д. В. Чугунин, Прямые измерения аврорального километрового радиоизлучения в ограниченном источнике. //Письма в ЖЭТФ, 2011, том 93, выпуск 6, 359-362с
5. С. А. Черноус и др., Овал полярных сияний как диагностическое средство пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС в Арктике. //Гелиогеофизические исследования в Арктике. Мурманск, 2016. С. 48.
6. Мизун Ю.Г., Полярные сияния. //М. Наука
1983.
7. Я. Ханаш, 3. Кравчик, М. Могилевский и др., Космические исследования. //36, 617 (1998).
Щербинко Александр Васильевич доктор технических наук, действительный член академии Военных наук 4ЦНИИ Минобороны России Московская область город Королев
старший научный сотрудник
Shcherbinko Alexander Vasilievich Doctor of Technical Sciences, full member of the Academy of Military Sciences 4TsNII of the Ministry of Defense of Russia, Moscow region, Korolev city Senior Researcher
