104 "Фізика та астрономія"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Прояви слабких варіацій космічної погоди в системі іоносфера-плазмосфера: результати спостережень та моделювання(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Резниченко, Марина ОлексіївнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 104 – Фізика та астрономія (Галузь знань 10 – Природничі науки). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2021. Об’єкт дослідження – геокосмічна плазма та процеси в ній в діапазоні висот 200–7000 км. Предмет дослідження – варіації в системі іоносфера-плазмосфера, викликані впливом слабких збурень космічної погоди, та фізичні механізми, відповідальні за ці варіації. Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу слабких змін космічної погоди на систему іоносфера-плазмосфера за допомогою мультиінструментальних досліджень та моделювання фізичних процесів. Методи дослідження. Спостереження стану іоносфери в періоди слабких змін космічної погоди виконані методами некогерентного розсіяння (НР) та вертикального зондування іоносфери (ВЗІ). Для аналізу результатів спостережень використовувалися методи математичної статистики та статистичної радіофізики. Дослідження фізичних механізмів, відповідальних за спостережувані зміни в системі іоносфера-плазмосфера, виконувалися за допомогою фізичного моделювання системи іоносфера-плазмосфера. Особливістю методики моделювання є використання результатів іоносферних спостережень у якості вхідних параметрів для фізичної моделі Field Line Interhemispheric Plasma (FLIP). Така методика досліджень є унікальною, оскільки дозволяє уникнути значних невизначеностей у вхідних параметрах фізичної моделі, що притаманні більшості інших теоретичних досліджень через низьку точність емпіричних моделей термосфери й іоносфери, що зазвичай використовуються як джерело вхідних даних для фізичного моделювання. Валідація змодельованих варіацій параметрів плазмового середовища проводилася шляхом порівняння з даними спостережень міжнародних іоносферних і плазмосферних супутникових місій. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному: вперше продемонстровано, що навіть слабкі варіації космічної погоди здатні призводити до значної перебудови взаємодії в системі іоносфера-плазмосфера, викликаючи, зокрема, сильну модуляцію іоносферно-плазмосферних потоків іонів водню (Н+); за допомогою фізичного моделювання встановлено механізми, відповідальні за зміни у взаємодії іоносфери та плазмосфери. Головними причинами змін є вертикальний рух іоносфери або часткове спустошення плазмосфери; встановлено, що найбільш чутливим до слабких змін космічної погоди параметром іоносферної плазми є відносна концентрація іонів водню Н+. Ця знахідка дозволила пояснити багаторічну проблему низьких прогностичних можливостей моделі іонного складу зовнішньої іоносфери міжнародного емпіричного стандарту International Reference Ionosphere. Практична значимість дисертації полягає у наступному. Нові дані та знання про реакцію системи іоносфера-плазмосфера на слабкі зміни космічної погоди сприятимуть поглибленню розуміння впливу Сонця на навколоземний космічний простір та дозволять просунутися у розв’язанні актуальних проблем прогнозування космічної погоди та корегування моделей навколоземного плазмового середовища задля достовірного прогнозування негативного впливу іоносфери та плазмосфери на рух та функціонування космічних апаратів, супутникових систем зв’язку, радіолокації та глобального позиціонування. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, описано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, зазначено особистий внесок здобувача, наведено відомості стосовно апробації роботи і публікацій результатів досліджень. Перший розділ має оглядовий характер. В ньому представлено огляд сучасних уявлень про сонячно-земні зв’язки та основні фізичні механізми, що визначають космічну погоду, наведено опис процесу збурення геомагнітного поля та класифікацію геокосмічних бур за геомагнітними індексами, описано загальну структуру іоносфери та плазмосфери Землі та розглянуто основні драйвери збурень в іоносфері та плазмосфері. Окремо представлено аналіз сучасного стану досліджень навколоземного космічного середовища, методів та засобів його діагностики (дистанційних радіофізичних та супутникових), а також сучасних моделей іоносфери та плазмосфери. Обґрунтовано вибір проблематики досліджень, необхідність і актуальність вирішення завдань дисертаційної роботи. У другому розділі представлено результати аналізу часових варіацій параметрів плазмового оточення Землі, отриманих за допомогою радара некогерентного розсіяння Інституту іоносфери до, під час та після слабких варіацій космічної погоди в різні сезони на різних фазах циклу сонячної активності (23-го та 24-го). Виконано порівняльний аналіз результатів спостережень відносного вмісту іонів водню з оцінками міжнародної моделі іонного складу IRI-2016/TBT-2015. Отримано наступні результати: виявлено, що для більшості досліджуваних періодів слабкі варіації космічної погоди не призводять до істотних змін у варіаціях концентрації електронів в області максимуму іонізації іоносфери та зовнішній іоносфері; виключенням є період у грудні 2017 р., для якого концентрація плазми у нічні години після слабкого геомагнітного збурення зменшилася удвічі; виявлено, що протягом усіх досліджених періодів, що супроводжувалися слабкими змінами космічної погоди, не відбувалося істотних змін у варіаціях температур електронів; це свідчить про відсутність значного посилення кільцевого струму, який міг би вплинути на варіації концентрації електронів в області F2 та у зовнішній іоносфері; знайдено, що, на противагу іншим параметрам плазми, відносна концентрація іонів водню у зовнішній іоносфері значно змінювалася під час слабких збурень космічної погоди. Відносна концентрація іонів водню може змінюватися до 2–3 разів навіть при дуже слабкому посиленні геомагнітної активності (Кр≤3), причому посилення геомагнітної активності призводить до зменшення N(H+)/N, а послаблення – до збільшення; виявлено, що найкраща узгодженість між результатами спостережень та модельними оцінками відносного вмісту іонів H+ має місце при посиленій геомагнітній активності; розбіжності збільшуються зі зменшенням магнітної активності. Третій розділ присвячений моделюванню фізичних процесів в системі іоносфера-плазмосфера, в тому числі з використанням даних радара НР Інституту іоносфери. Отримано наступні результати: продемонстровано, що навіть слабкі варіації космічної погоди здатні призводити до значної перебудови взаємодії в системі іоносфера – плазмосфера. Ця перебудова відбувається внаслідок значної модуляції іоносферно-плазмосферних потоків іонів водню; встановлено ключові фізичні механізми, відповідальні за зміни у взаємодії іоносфери та плазмосфери, та зв'язок цих механізмів зі слабкими варіаціями космічної погоди. Головними причинами змін вертикального руху плазми, що спричиняє модуляцію потоків іонів водню під час збурень космічної погоди, можуть бути два головних фактора: посилення горизонтальних термосферних вітрів, спрямованих до екватору вночі (внаслідок розігріву авроральних зон), та проникнення зональних магнітосферних електричних полів в середні широти; проведено валідацію змодельованих варіацій параметрів іоносфери та плазмосфери шляхом порівняння з даними спостережень за допомогою радара НР, а також міжнародних іоносферних і плазмосферних супутникових місій; пояснено головні причини значних відмінностей між спостережуваними варіаціями N(H+)/N та прогнозами моделі іонного складу IRI-2016/TBT-2015 в спокійних геомагнітних умовах; проведено дослідження варіацій іоносферної плазми в двох віддалених регіонах Північної півкулі – європейському (Харків, Україна) та азійському (Шигаракі, Японія). Встановлено, що різна реакція іоносфери на слабкі варіації космічної погоди над Центральноєвропейським та азійським регіонами може бути пояснена ефектом місцевого часу. Результати проведеного моделювання узгоджуються з даними іоносферних (Swarm) і плазмосферних (DMSP) супутникових місій.