Обзор для СиЗиФа

Тот, кто интересуется физикой ионосферы, вероятно встречал термины "радары когерентного и некогерентного рассеяния". Оба типа инструментов весьма эффективны в целой серии геофизических приложений. Основа измерений - физическое явление слабого рассеяния радиоволн в неоднородной среде. Оба термина: когерентное/некогерентное рассеяние относятся к научному жаргону, который, пожалуй, не упрощает понимание физической сущности явлений.
Оба типа радаров "видят" эхо-сигнал, который, при некотором усреднении, по сути, Фурье-гармоника пространственно-временного распределения (шума) диэлектрическй проницаемости среды. За когерентное рассеяние ответственны плазменные неустойчивости Е(и F)-слоя, формирующие неоднородности, вытянутые вдоль магнитных силовых линий.
Особенностью спектра таких неоднородностей является тот факт, что почти для любого поперечного размера неоднородности её продольный размер оказывается в 10-30 раз больше. По этой причине рассеянный сигнал когерентен (синфазен) вдоль магнитной силовой линии в пределах 5-15 длин волн радара (последняя в два раза больше, чем длина волны рассеивающих неоднородностей).
Возможностям использования "когерентного" рассеяния для оценки ионосферного электрического поля посвящено настоящее краткое повествование. Некогерентное рассеяние радиоволн на тепловых флюктуациях плотности плазмы существенно слабее когерентного и, при повышенном электрическом поле или внешнем воздействии, оно также не вполне некогерентно. Последняя широкая тема - за рамками настоящего описания.

C появлением радиолокаторов в 30-е годы прошлого столетия - анизотропное рассеяние радиоволн впервые напомнило о своём существовании. Его называли радиолокационными эхосигналами - "отражениями". Отражения из северного квадранта периодически появлялись на радарных экранах. Позже стало понятно, что с позиций физики это не отражение радиоволн как, например, самолетом, а рассеяние, причем анизотропное, ракурсное рассеяние радиоволн (РРР). Это рассеяние с дальностей 500-1000 км порой весьма интенсивно - эффективные поперечники РРР могут достигать 10⁶-10⁷ м², в то время как при отражении радиоволны самолетом они составляют всего 1-10 м² ("поперечник рассеяния/отражения" - это поверхность, перпендикулярная лучу радара, которая перехватывала бы всю падающую на неё энергию зондирующего сигнала, равномерно излучала её по всем направлениям - в пределах окружающей поверхность сферы - и была бы такой по своей площади, чтобы создать на входе приемника мощность сигнала, равную его измеренной мощности).

РРР обязано ионосферным неоднородностям, вытянутым вдоль магнитных силовых линий, хотя, заметим, что такая неоднородная ионосфера для радиоволн почти радиопрозрачна. Из-за вытянутости неоднородностей интенсивность рассеяния максимальна когда ракурсный угол (aspect angle), т.е. угол между волновым вектором рассеянной радиоволны (или волновым вектором рассеивающих неоднородностей) и плоскостью перпендикулярной магнитной силовой линии меньше ~ 0.5^о.
Заметим, что при радарном методе наблюдения РРР длина радиоволны радара в два раза больше, чем длина волны рассеивающих неоднородностей, а для волновых векторов это соотношение является обратным, , (s=scatter, irr=irregularities). Неоднородности с длинами волн от декаметров до дециметров "частый гость" полярной (авроральной) ионосферы, особенно Е-слоя. Они возникают на высотах 95-120 км, как раз там, где ионосфера обладает высокой проводимостью и текут интенсивные токи. РРР сопровождается геомагнитными возмущениями и полярными сияниями.
Однако РРР наблюдаемо не только в полярных районах, но и около геомагнитного экватора. Ракурсное рассеяние ионосферными неоднородностями в декаметровом и, частично, метровом диапазонах их длин волн может периодически наблюдаться по всему земному шару.

Ракурсное рассеяние радиоволн позволяет радарам "видеть" многие явления полярной ионосферы, например, развитие магнитного возмущения в полярных сияниях, особенно фазу подготовки бури, активные формы сияний, такие как дуги, петли, волны и т.д. В связи с этим ракурсное рассеяние радиоволн давно получило ещё одно имя - "радиоаврора". Хотя первые научные исследования радиоавроры выполнялись на простой аппаратуре с низким разрешением по пространству и, часто, без регистрации доплеровского сдвига эхосигнала, геофизикам быстро стало очевидна ценность радарного образа геомагнитного возмущения.
В Советском Союзе в первых исследованиях радиоавроры принимали участие Я.Бирфельд, Е.Пономарев, Е.Вершинин, В.Довгер, Ю.Свердлов, А.Пятси, Г.Старков и др., включая автора этого краткого повествования.
Прекрасный обзор состояния исследований радиоавроры в 1961 году был написан Б.А.Багаряцким, "Радиолокационные отражения от полярных сияний" (хотя, как мы теперь знаем, что не "отражения" и не вполне "от полярных сияний": по крайней мере тех, которые мы видим невооруженным глазом).
Заметим, что радары "видят" неоднородности (радиоаврору) главным образом в диффузном фоне свечения, вблизи и экваториальнее дуг сияний, вечером, утром, наоборот, - приполюснее, но внутри дуг сияний (auroral arcs) по иронии судьбы радиоаврора (radar aurora) не наблюдалось. Предполагается, что при повышенной ионизации и умеренном электрическом поле неустойчивость "гасится" из-за повышенной рекомбинации. Наибольший интерес к РРР со стороны исследователей привлекало то обстоятельство, что радиоэхо обладало доплеровским сдвигом частоты, который, казалось, может быть использован для дистанционного измерения ионосферного электрического поля.

Первые смелые шаги в этом направлении были осуществлены в 1976-77 годах Реем Гринвальдом с коллегами в рамках эксперимента СТАРЕ (СТАРЕ - сокращение английских слов Скандинавский Двойной Авроральный Радарный Эксперимент); позже Гринвальд инициировал похожие измерения в F-слое ионосферы радарами СуперДАРН (SuperDARN), работающими в КВ диапазоне радиоволн; DARN - сеть двойных авроральных радаров).
Участники обоих проектов предположили, что стереоскопический метод применим для определения полного вектора скорости дрейфа ионосферных неоднородностей. Это означает, что измеряемая скорость дрейфа вдоль луча радара является функцией азимута наблюдения, т.е. функция косинуса угла между радиолучем (или ) и, например, средним направлением дрейфа электронов, (flow angle velocity dependence). Рис.1 показывает как стереоскопический метод определяет вектор скорости неоднородностей когда известны компоненты скорости вдоль лучей норвежского и финского радаров СТАРЕ (расположение радаров дано жирными точками в нижней части рисунка). Картинка заимствована из статьи, где сравнивались измерения радаров СТАРЕ и радара некогерентного рассеяния ЕИСКАТ, поэтому корневая часть вектора скорости неоднородностей искусственно смещена и наложена на антенный луч радара некогерентного рассеяния.


Рис.1. Предполагается что радары СТАРЕ в Мидстандане, Норвегия, и Ханкасалми, Финляндия измеряют косинус-составляющие полной скорости дрейфа неоднородностей вдоль двух лучей антенн, направленных в область измерения средней скорости дрейфа электронов радаром ЕИСКАТ. Тогда полная скорость дрейфа неоднородностей является вектором, который проходит через точку пересечения лучей антенн и через точку пересечения перпендикуляров к лучам антенн из концов двух измеренных косинус-составляющих полной скорости.

Исходная идея, которая закладывалась в стереоскопический метод СТАРЕ базировалась на выводах линейной теории плазмы. Линейные теории предсказывали, что скорость неоднородностей близка к средней скорости дрейфа электронов вдоль луча радара при условии, что волновой вектор почти перпендикулярен магнитной силовой линии.
Однако первые координированные измерения в общей области пространства (середина 1980-х гг), в которых скорости дрейфа электронов измерялись радарами ЕИСКАТ и скорости дрейфа неоднородностей - радарами СТАРЕ, не подтвердили исходную идею. Они показали, что неоднородности дрейфуют примерно в два раза медленнее, чем электроны. Было высказано предположение, что скорость неоднородностей ограничивается вблизи ионно-акустической скорости рассеивающей среды.
Несмотря на непредвиденные особенности свойств неоднородностей оказалось, что карты СТАРЕ векторных полей скорости дрейфа неоднородностей стали широко востребованным геофизиками. Действительно, векторная картина дрейфов неоднородностей на фоне развития авроральной суббури и на площади, соизмеримой с зоной видимости камеры всего неба (400х400 км²), была весьма информативна. Радары СТАРЕ хорошо "видели" переход от восточного к западному электроджету, относительные изменения поля в разных частях аврорального овала, а также крупномасштабные вихри и волны, вблизи которых вектор скорости неоднородностей мог поворачиваться почти на 360 градусов. Несмотря на трудности в понимании и применении радарной информации, которые мы будем кратко обсуждать ниже, радары СТАРЕ оказались одним из самых долгоживущих, сложных геофизических инструментов (1977-2005), который родился под флагом IMS - программы международных исследований магнитосферы.

На Рисунке 2 (в координатах широта-время) показано как скорость неоднородностей и относительная величина мощности эхосигнала радаров СТАРЕ распределены внутри и вблизи аврорального овала. Интервал 18:00-18:25 UT приходится на подготовительную фазу умеренной, изолированной магнитной бури.

Рис.2 Карты географическая широта - время из работы Uspensky et al. (1983), верхняя панель - северная компонента электрического поля (оцененная по скорости дрейфа неоднородностей в соответствии с линейной теорией), линии с открытыми кружками - положение нижних краев дуг свечения, средняя и нижняя панели - положения дуг и мощность эхосигнала норвежского (финского) радара СТАРЕ. Данные СТАРЕ усреднены внутри меридиональной полосы с долготной шириной 17,75-19,75 Е. Вертикальные стрелки внутри панелей не существенны для настоящего описания.

Оптические средства уверенно регистрировали положение нижнего края яркой экваториальной дуги овала и менее ярких, появлявшихся и пропадавших дуг приполюсной стороны овала (сплошные линии с кружками). Экваториальнее овала скорость неоднородностей была умеренная, внутри овала - повышенная. Как видно из сопоставления верхней панели со средней и нижней, мощность сигнала, пропорциональная плотности ионизации (Успенский и Старков, 1987), демонстрирует обратное поведение. Таким образом, когерентное рассеяние позволяет оценить распределение электрических полей и ионизации и их изменения в пространстве и времени. Описанная картина не противоречит другим измерениям, например, методом некогерентного рассеяния.

Почему скорость дрейфа неоднородностей заметно меньше средней скорости дрейфа электронов? Большинство исследователей придерживаются точки зрения, что из-за нелинейных явлений в плазме скорость неоднородностей ограничивается ионно-звуковой скоростью. С другой стороны, ионно-звуковая скорость (и скорость дрейфа неоднородностей) является функцией электронной и ионной температур и, следовательно, некоторой функцией ионосферного электрического поля (средней скорости дрейфа электронов). Другие свойства неоднородностей, которые невозможно объяснить не привлекая нелинейных явлений, это возникновение РРР в условиях, когда модуль ракурсного угла более 0.5-1^о (хотя РРР наблюдается даже при ракурсных углах 5-7^о) и когда вектор (он параллелен/антипараллелен радиолучу радара) отклонен от среднего направления дрейфа электронов более, чем на 60-70^о или менее, чем на 110-120^о, т.е. когда луч радара ориентирован почти перпендикулярно к направлению дрейфа электронов (и электроджета).

Из приведенного выше краткого описания нелинейной природы неоднородностей, ответственных за РРР, остается не ясным как же их скорость реагирует на угол между (радиолучём) и направлением потока электронов, , т.е. работает ли параллактический метод ? Справедливости ради заметим, что сомнения высказывались. В середине 1970-х годов Цунода, а потом Цунода и Муркрофт исследовали возможность радарной оценки электрического поля наблюдая скорости дрейфа ~40-см неоднородностей. Их 398-МГц радар с узким антенным лучём регистрировал рассеяние с разных азимутов по отношению к направлению потока электронов (примерно в интервале 60-120^о). Они обнаружили, что скорость неоднородностей очень своеобразно реагирует на угол между и . Скорость неоднородностей имеет разный знак когда неоднородности движутся к радару или от него, но вне пределов некоторой узкой угловой области быстрой смены знака скорости (3-6^о, а иногда меньше), скорость неоднородностей практически не меняется. Они назвали это явление термином "плато", поскольку скорость неоднородностей не реагировала на угол между и , и сделали вывод, что радарные оценки ионосферного электрического поля затруднительны.

"Отец" СТАРЕ Рей Гринвальд знал выводы Цуноды и Муркрофта, но полагал, что они справедливы только для дециметрового диапазона длин волн неоднородностей, а в ~1-м диапазоне (в котором работают радары СТАРЕ) косинусная зависимость скорости неоднородностей от угла к току существует.

Исследователям дано право предполагать, а природе располагать.
В 1985 году Нильсен и Шлегел нашли то же, что ранее нашел Цунода, а именно, что при углах между и (т.е. углах радиолуча к току электронов) в диапазоне между 30-60о скорость неоднородностей практически не меняется, хотя она зависит от абсолютной величины скорости электронов (электрического поля). Они объяснили, что скорость неоднородностей ограничена ионно-акустической скоростью среды, но "ушли" от обсуждения последствий своей находки для стереоскопического метода.
Оправдывая метод они настаивали (Нильсен и др. вновь сказали это в 2002 г), что при углах между и больше 60^о (меньше 120^о ) или в условиях, когда компонента электронной скорости вдоль луча радара, (los=line-of-sight), меньше ионно-акустической скорости среды, тогда скорость неоднородностей как раз равна , т.е. стереоскопический метод все же работает.

В недавних исследованиях, в которых принимал участие автор настоящего обзора , удалось собрать в несколько раз больше одновременных наблюдений СТАРЕ и ЕИСКАТ, чем ранее, а также наполнить данными интервал для 70- и 80^о-углов (а также 100- и 110^о-углов) радиолуча к току. В кратком изложении, авторы (как Цунода) нашли, что для ~1-м неоднородностей практически нет зависимости скорости неоднородностей от угла к току электронов в интервале углов 50-80^о и 100-130^о (т.е. существуют два плато с положительной и отрицательной скоростью, исключая быструю смену знака, когда угол близок 90^о).
Заметим, что скорость неоднородностей зависит от модуля скорости электронов, что означает, что высота обоих плато является функцией электрического поля. Таким образом стереоскопический метод в своей классической форме для радаров СТАРЕ не работает.
Тогда какие же систематические ошибки даст метод СТАРЕ в определении вектора скорости неоднородностей? Как учесть и/или уменьшить ошибки? Какие физические явления ответственны за описанные закономерности?

Чтобы оценить систематические ошибки сравним две карты векторов скоростей неоднородностей (standard STARE plots), представленные на Рис.3(а) и Рис.3(б). Карта 3(а) построена в предположении, что зависимость скорости дрейфа неоднородностей от угла к току электронов полностью отсутствует (исключая "быструю" смену знака скорости когда неоднородности движутся к радару или от него). Для этого мы произвольно приняли, что на всех дальностях и во всех антенных лучах финского радара СТАРЕ скорость одинакова и равна 430 м/с (примерно как в наблюдениях). Аналогично, для норвежского радара мы приняли скорость 470 м/с. Введя скорости в реальную программу СТАРЕ, мы получили карту семейства векторов скорости неоднородностей когда измеряемая скорость совсем не зависит от угла к току.

Рис. 3(а,б). (а): при построении карты произвольно принято, что зависимость скорости дрейфа неоднородностей от угла к току электронов полностью отсутствует (исключая "быструю" смену знака когда неоднородности движутся к радару или от него), а именно на всех дальностях и во всех антенных лучах финского радара СТАРЕ скорость одинакова и равна 430 м/с (примерно как в наблюдениях); для норвежского радара, аналогично, 470 м/с. После стереоскопической "свертки" (как в стандартной программе СТАРЕ), мы имеем карту векторов скорости "неоднородностей" когда измеряемая радарами скорость совсем не зависит от угла к току, (б): реальная карта векторов скорости неоднородностей, полученная методом СТАРЕ для типичных геофизических условий пространного восточного электроджета средней интенсивности (т.е. при широкой полосе тока электронов, движущихся к западу), цветовой фон - соотношение сигнал-шум, дБ. Заметим близкое сходство карт (а) и (б).

На Рис.3(б) дана реальная карта семейства векторов скорости неоднородностей, полученная в типичных геофизических условиях пространного восточного электроджета средней интенсивности (т.е. при широкой полосе тока электронов к западу). Сравнивая карты (а) и (б) обнаруживаем много сходств, а именно: (1) с ростом географической долготы векторы поворачиваются по часовой стрелке; (2) на обеих картах скорость растет с ростом широты и соотношение скоростей на верхнем обрезе и центре карты примерно 1,5; (3) с уменьшением широты скорость неоднородностей продолжает падать, однако в натурных наблюдениях быстрее, чем для модели. Последнее представляется объяснимым. Действительно, в центре и верхней части карты ракурсные углы для обеих радаров СТАРЕ минимальны. Для нижней части карты уменьшение широты ведет к прогрессирующему росту ракурсного угла до 2-3^о (для каждого из радаров). Дополнительное уменьшение скорости неоднородностей примерно соответствует выводам линейной теории плазмы.
Итак, значительное сходство двух карт независимо иллюстрирует слабую угловую зависимость скорости ~1-м неоднородностей.

В чем причина роста скорости с широтой и постепенного вращения векторов? В изменении углов между радиолучами финского и норвежского радаров СТАРЕ в каждой точке карты. Последнее станет понятно, если, похоже как на Рис.1, строить полный вектор скорости не только в радиолуче радаров ЕИСКАТ (как у авторов рисунка), но и севернее, южнее, западнее или восточнее.

Можно ли оценить по данным СТАРЕ среднюю скорость дрейфа электронов (электрическое поле)? С некоторой степенью точности можно. В недавних количественных сопоставлениях скоростей неоднородностей и электронов (в радиолуче радара ЕИСКАТ) было найдено, что (восточный электроджет, скорости дрейфа электронов 500-1700 м/с). На верхнем обрезе карты упомянутое соотношение скоростей вырастет на ~30%. С уменьшением широты соотношение будет падать в соответствии с Рис.3(а) и прогрессирующим ростом ракурсного угла.

Правильно ли на картах СТАРЕ определяется направление скорости дрейфа неоднородностей? В отличии от общепринятой точки зрения, последние данные "показывают", что лишь в некотором первом приближении. Если взять некоторую точку на карте СТАРЕ и нарисовать линии норвежского и финского радиолучей, тогда лучи ограничат четыре угловых области-квадранта: к западу, северу, востоку и югу относительно точки (заметим, что угловой размер каждого "квадранта" только в частном случае равен 90^о). Отсутствие угловой зависимости скорости неоднородностей ведет к тому, что изменение направления дрейфа электронов (в крупномасштабных структурах) будет сопровождаться скачкообразным переходом (релаксацией) вычисляемого вектора скорости неоднородностей из одного квадранта в другой. Эта закономерность хорошо видна в ранних публикациях с использованием 20-с данных СТАРЕ, т.е. без дополнительного усреднения (на Рис.3(б) этот эффект не виден из-за отсутствия структуры в электроджете). Часто используемое дополнительное усреднение данных СТАРЕ (running average) сглаживает угловые релаксации, создавая кажущееся плавное вращение вектора скорости.
В чем вероятная причина отсутствия (очень слабой) угловой зависимости скорости неоднородностей относительно направления дрейфа электронов? Многие исследователи (например, Фарлей - один из отцов фарлей-бунемановской (ФБ) плазменной неустойчивости) полагают, что такой причиной является сильное межволновое взаимодействие (wave-wave coupling) в плазме ионосферного Е-слоя и нелинейная стабилизация скорости волн около ионно-акустической скорости.
Классическая модель ФБ волн в ламинарном электроджете определяет азимутальные и ракурсные угловые секторы с положительными и отрицательными линейными инкрементами, т.е. области, где волны могут генерироваться и где не могут.
В отличие от ламинарной модели, межволновое взаимодействие (МВВ) "разрешает" возникновение неоднородностей, где они сами по себе возникнуть не могут. МВВ эффективно перекачивает энергию семейства волн из сектора с положительным инкрементом к семейству затухающих волн сектора с отрицательным инкрементом. МВВ также "сбрасывает" энергию затухающим волнам неоднородностей с повышенными ракурсными углами. Компьютерные модели Янхунена, Оппенхайма и Отани хорошо подтверждают эффективность межволнового взаимодействия.
Другой, не менее важной, возможной причиной слабой угловой зависимости скорости ~1-м волн является то обстоятельство, что мелкомасштабные волны возникают и некоторое время "живут" на крупномасштабных вихрях. Вихри с длинами волн от десятков метров до километров эффективно разбрасывают "домены" с мелкомасштабными неоднородностями по широкому сектору направлений в стороны от главного направления электроджета.

М.В. Успенский и автор СиЗиФа

Некоторые из публикаций по обсуждаемой теме:

Багаряцкий Б.А., Радиолокационные отражения от полярных сияний, УФН, 1961, 63, 197-241.

Greenwald R.A. et al., STARE: a new radar auroral backscatter experiment in Northern Scandinavia, Radio Sci., 1978, 13, 1021-1039.

Moorcroft D.R., and Tsunoda R.T., Rapid scan Doppler velocity maps of UHF diffuse radar aurora, J. Geophys. Res., 1978, 1482-1492.

Nielsen E, and Schlegel K., Coherent radar Doppler measurements and their relationship to the Ionospheric electron drift velocity, J. Geophys. Res., 1985, 90, 3498-3504.

Nielsen E. et al., VHF coherent radar signals from E region ionosphere and the relationship to electron drift velocity and ion acoustic velocity, J. Geophys.Res., 2002, 107, SIA 4-1-9.

Otani N.F., and Oppenheim M., A saturation mechanism for the Farley-Buneman instability, Geophys. Res. Lett., 1998, 25, 1833-1836.

Tsunoda R.T., Doppler velocity maps of the diffuse radar aurora, J. Geophys. Res., 1976, 81, 425-435.

Uspensky M. et al., Spatial variation of ionospheric conductivity and radar aurora amplitude in the eastward electrojet region during pre-substorm condition, J. Geophys., 1983, 52, 40-48.

Успенский М.В., Старков Г.В., Полярные сияния и рассеяние радиоволн, ред. Л.С. Евлашин, Наука, Л., 1987, С. 239.

Uspensky M.V., Pellinen R.J., and Janhunen P. The electron drift velocity, ion acoustic speed and irregularity drifts in high-latitude E region, Ann. Geophys., 2008, accepted.