ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ В

МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ
И НАУКИ
УКРАИНЫ
Л. Ф. ЧЕРНОГОР
ХАРЬКОВСКИЙ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени В. Н. КАРАЗИНА
ФИЗИЧЕСКИЕ
ЭФФЕКТЫ
СОЛНЕЧНЫХ
ЗАТМЕНИЙ
В АТМОСФЕРЕ
И ГЕОКОСМОСЕ
ХАРЬКОВ
2013
1
УДК 550.3: [521.81 + 551.51]
ББК 26.233
Ч-49
Рецензенты:
А. А. Коноваленко – академик НАН Украины (Радиоастрономический институт
НАН Украины);
Ю. Г. Шкуратов – член-корреспондент НАН Украины (НИИ астрономии
Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина).
Ч-49
Утверждено к печати решением Ученого совета
Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина
(протокол № 10 от 28 октября 2013 г.)
Чорногор Л. Ф.
Фізичні ефекти сонячних затемнень в атмосфері та геокосмосі : монографія /
Л. Ф. Черногор. – Х. : ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2013. – 480 с.
ISBN 978-966-285-036-9
Викладено загальні відомості про системи Земля – атмосфера – іоносфера –
магнітосфера та Сонце – міжпланетне середовище – магнітосфера – іоносфера –
атмосфера – Земля . Описано результати радіофізичних та оптичних спостережень
основних ефектів у цих системах, викликаних частковими сонячними затемненнями в
околиці м. Харкова (Україна) в 1999–2011 рр.
Для науковців, аспірантів і студентів фізичних спеціальностей університетів.
.
УДК 550.3: [521.81 + 551.51]
204 илл., 41 табл., 465 библ
ББК 26.233
Ч-49
Ч-49
Chernogor L. F.
Physical effects of solar eclipses in atmosphere and geospace : monograph /
L. F. Chernogor. – Kharkiv : V. N. Karazin Kharkiv National University, 2013. – 480 p.
ISBN 978-966-285-036-9
General information about the system the Earth - atmosphere - ionosphere - magnetosphere
and the Sun - interplanetary medium - magnetosphere - ionosphere - atmosphere - the Earth is
presented. The results of radio physical and optical observations of the major effects in these
systems, which is caused by the partial solar eclipses in the vicinity of Kharkov (Ukraine) in
1999–2011 are described.
For researchers, postgraduate and graduate students of physical specialties of universities.
УДК 550.3: [521.81 + 551.51]
204 илл., 41 табл., 465 библ
ББК 26.233
Черногор Л. Ф.
Физические эффекты солнечных затмений в атмосфере и геокосмосе : монография /
Л. Ф. Черногор. – Х. : ХНУ имени В. Н. Каразина, 2013. – 480 с.
ISBN 978-966-285-036-9
Изложены общие сведения о системах Земля – атмосфера – ионосфера –
магнитосфера и Солнце – межпланетная среда – магнитосфера – ионосфера – атмосфера –
Земля. Описаны результаты радиофизических и оптических наблюдений основных
эффектов в этих системах, вызванных частными солнечными затмениями в окрестности
г. Харькова (Украина) в 1999–2011 гг.
Для научных работников, аспирантов и студентов физических специальностей
университетов.
.
УДК 550.3: [521.81 + 551.51]
204 илл., 41 табл., 465 библ
ББК 26.233
ISBN 978-966-285-036-9
2
 Харьковский национальный университет
имени В. Н. Каразина, 2013
 Институт ионосферы, 2013
 Черногор Л. Ф., 2013
 Макет обложки, Дончик И. Н., 2013
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ……………………………………………………….………
Список основных сокращений …………………………………………
Список основных обозначений …………………………………………
Введение …………………………………………………………………..
Литература к введению …………………………..
Глава 1. Основы системной парадигмы ……………………………….
1.1. Общие сведения …………………………………………….
1.2. Основные положения системной парадигмы …………….
1.3. Строение систем. Основные процессы ……………………
1.3.1. Процессы в системе СМСМИАЗ …………………..
1.3.2. Процессы в системе ЗАИМ ………………………...
1.3.3. Процессы в системе СМСМИАЗБ …………………
1.4. Свойства систем ……………………………………………...
1.5. Энергетика процессов ……………………………………….
1.5.1. Энергетика солнечных процессов ………………….
1.5.2. Энергетика солнечных и геокосмических бурь …...
1.5.3. Энергетика магнитосферы ………………………….
1.5.4. Энергетика ионосферы ……………………………..
1.5.5. Энергетика атмосферы ……………………………..
1.5.6. Энергетика солнечных затмений …………………..
1.6. Потоки энергии ………………………………………………
1.7. Каналы взаимодействия подсистем в системах
СМСМИАЗ и ЗАИМ ………………………………………
1.8. Основные результаты ………………………………………..
Литература к главе 1 ……………………………..
Глава 2. Эффекты солнечного затмения 11 августа 1999 г. ………...
2. 1. Общие сведения ……………………………………………..
2.2. Сведения о солнечном затмении ……………………………
2.2.1. Пространственно-временные характеристики ……..
2.2.2. Энергетические характеристики …………………….
2.2.3. Функция покрытия Солнца. Освещенность
поверхности Земли ………………………………………….
2.2.4. Состояние атмосферной и космической погоды …...
2.3. Средства наблюдения и радиозондирования ………………
2.3.1. Оптическая система ………………………………….
2.3.2. Радар частичных отражений …………………………
2.3.3. Доплеровский радар …………………………………
2.3.4. Радар некогерентного рассеяния ……………………
2.3.5. Ионозонд ……………………………………………...
2.4. Методики измерений и обработки данных ………………...
2.4.1. Оптические измерения ………………………………...
2.4.2. Измерения радаром частичных отражений …………..
2.4.3. Измерения доплеровским радаром …………………...
2.4.4. Измерения радаром некогерентного рассеяния ……..
2.4.5. Измерения ионозондом ………………………………..
10
12
13
17
19
22
22
23
26
26
28
28
30
31
36
36
38
39
42
45
47
48
48
49
53
53
54
55
56
57
58
59
59
61
61
61
62
63
63
64
65
65
72
3
2.5. Результаты наблюдений ………………………………………
2.5.1. Приземная атмосфера ………………………………….
2.5.2. Нижняя ионосфера …………………………………….
2.5.3. Средняя ионосфера …………………………………….
2.5.4. Слой F2 ионосферы ……………………………………
2.6. Результаты расчетов …………………………………………..
2.6.1. Процессы в приземной атмосфере ……………………
2.6.2. Ионизация в D- и E-областях ионосферы ……………
2.6.3. Ионизация в F-области ионосферы …………………...
2.6.4. Процессы переноса ионов в F-области ионосферы ….
2.6.5. Ионосферно-плазмосферное взаимодействие ……….
2.6.6. Тепловые процессы в F-области ионосферы ………...
2.6.7. Ионосферно-магнитосферное взаимодействие ……...
2.6.8. Оценки параметров высыпающихся частиц …………
2.7. Обсуждение …………………………………………………
2.7.1. Процессы в приземной атмосфере ……………………
2.7.2. Процессы в нижней ионосфере ……………………….
2.7.3. Процессы в средней ионосфере ………………………
2.7.4. Процессы во внешней ионосфере …………………….
2.8. Основные результаты ………………………………………
Литература к главе 2 ……………………………..
Глава 3. Эффекты солнечного затмения 31 мая 2003 г. ……………..
3.1. Общие сведения …………………………………………….
3.2. Сведения о солнечном затмении …………………………..
3.3. Состояние атмосферной и космической погоды …………
3.3.1. Метеорологическая обстановка ………………………
3.3.2. Гелиогеофизическая обстановка ……………………...
3.4. Средства наблюдения и радиозондирования ……………..
3.4.1. Оптическая система ……………………………………
3.4.2. Доплеровский радар …………………………………...
3.4.3. Ионозонд ……………………………………………….
3.4.4. Радар некогерентного рассеяния ……………………...
3.4.5. Магнитометр-флюксметр ……………………………..
3.4.6. Система термометров ………………………………….
3.5. Методики измерений и обработки данных ……………….
3.5.1. Оптические измерения ………………………………...
3.5.2. Измерения доплеровским радаром …………………...
3.5.3. Измерения радаром некогерентного рассеяния ……...
3.5.4. Измерение ионозондом ………………………………..
3.5.5. Магнитометрические измерения ……………………...
3.6. Результаты наблюдений ……………………………………
3.6.1. Вариации температуры воздуха в приземной
атмосфере ……………………………………………………
3.6.2. Вариации среднего квадратического отклонения
смещения края солнечного диска ………………………….
3.6.3. Вариации уровня геомагнитного поля ……………...
3.6.4. Вариации доплеровских спектров …………………..
4
72
72
75
81
83
96
96
97
100
102
103
105
111
112
114
114
115
118
121
124
126
131
131
132
133
133
134
137
137
137
137
137
137
138
138
138
138
139
140
140
140
140
140
140
141
3.6.5. Вариации концентрации электронов в максимуме
слоя F2 и высоты максимума ………………………………
3.6.6. Вариации температуры электронов и ионов ………
3.6.7. Вариации скорости переноса плазмы ……………….
3.6.8. Вариации концентрации ионов водорода …………..
3.6.9. Волновые возмущения ……………………………….
3.7. Результаты расчетов …………………………………………
3.7.1. Процессы в приземной атмосфере …………………..
3.7.2. Концентрация нейтралов …………………………….
3.7.3. Температура нейтралов и нагрев атмосферы ……….
3.7.4. Поток плазмы …………………………………………
3.7.5. Подвод энергии к электронам ……………………….
3.7.6. Потоки тепла, переносимого электронами …………
3.8. Обсуждение …………………………………………………..
3.8.1. Процессы в приземной атмосфере …………………..
3.8.2. Процессы в области F и внешней ионосфере ………
3.8.3. Сравнение эффектов солнечных затмений
11 августа 1999 г. и 31 мая 2003 г. …………………………
3.9. Основные результаты ………………………………………..
Литература к главе 3 ………………………………
Глава 4. Эффекты солнечного затмения 3 октября 2005 г. …………
4.1. Общие сведения ……………………………………………..
4.2. Сведения о затмении Солнца ……………………………….
4.3. Состояние атмосферной и космической погоды ………….
4.3.1. Метеорологическая обстановка ……………………..
4.3.2. Гелиофизическая обстановка ………………………..
4.4. Средства наблюдения и радиозондирования ………………
4.5. Результаты наблюдений ……………………………………..
4.5.1. Вариации температуры воздуха в приземной
атмосфере ……………………………………………………
4.5.2. Вариация среднего квадратического отклонения
смещения края солнечного диска ………………………….
4.5.3. Вариации флуктуаций геомагнитного поля ………...
4.5.4. Вариации доплеровских спектров …………………..
4.5.5. Вариации параметров максимума области F2
ионосферы …………………………………………………...
4.5.6. Вариации концентрации электронов ………………..
4.5.7. Вариации температуры электронов и ионов ………..
4.5.8. Вариации скорости переноса плазмы ……………….
4.5.9. Вариации концентрации ионов водорода …………..
4.5.10. Волновые возмущения ……………………………...
4.6. Результаты расчетов ………………………………………..
4.6.1. Поток плазмы …………………………………………..
4.6.2. Скорость эквивалентного нейтрального ветра и
меридиональная составляющая скорости нейтрального
ветра …………………………………………………………...
4.6.3. Энергия, подводимая к электронному газу …………
143
143
145
147
150
150
150
153
153
156
156
159
160
160
161
164
165
167
170
170
171
172
172
172
172
174
174
175
175
176
180
180
180
186
187
188
190
195
197
199
5
4.6.4. Поток тепла, переносимого электронами …………….
4.6.5. Температура нейтралов ………………………………..
4.7. Обсуждение …………………………………………………
4.7.1. Температура воздуха в приземной атмосфере ……….
4.7.2. Уровень флуктуаций геомагнитного поля …………...
4.7.3. Концентрация электронов в ионосфере ……………...
4.7.4. Температуры электронов и ионов в ионосфере ……...
4.7.5. Скорость переноса плазмы ……………………………
4.7.6. Концентрация ионов водорода в ионосфере …………
4.7.7. Волновые возмущения в ионосфере ………………….
4.7.8. Поток плазмы …………………………………………..
4.7.9. Тепловые процессы в электронном газе ……………...
4.7.10. Эффекты нейтральных ветров ……………………….
4.8. Основные результаты ………………………………………
Литература к разделу 4 …………………………..
Глава 5. Эффекты солнечного затмения 29 марта 2006 г. …………..
5.1. Общие сведения …………………………………………….
5.2. Сведения о затмении Солнца ……………………………...
5.3. Состояние атмосферной и космической погоды …………
5.3.1. Метеорологическая обстановка ………………………
5.3.2. Гелиогеофизическая обстановка ……………………...
5.4. Средства наблюдения и радиозондирования ……………..
5.5. Результаты наблюдений ……………………………………
5.5.1. Вариации температуры воздуха в приземной
атмосфере ……………………………………………………..
5.5.2. Вариации среднего квадратичного отклонения
смещения края солнечного диска …………………………...
5.5.3. Вариации доплеровских спектров ……………………
5.5.4. Вариации концентрации и высоты максимума
области F2 ионосферы ……………………………………….
5.5.5.Вариации концентрации электронов ………………….
5.5.6. Вариации температур электронов и ионов ……..........
5.5.7. Вариации вертикальной составляющей скорости
переноса плазмы ……………………………………………...
5.5.8. Вариации концентрации ионов водорода ……………
5.6. Результаты расчетов …………………………………………
5.6.1. Полный поток плазмы ………………………………..
5.6.2. Поток плазмы за счет амбиполярной диффузии …...
5.6.3. Компонента скорости вертикального переноса
плазмы за счет ветрового увлечения и электромагнитного
дрейфа и меридиональная скорость ветра ………………...
5.6.4. Подвод энергии к электронному газу ……………….
5.7. Обсуждение …………………………………………………..
5.7.1. Процессы в нижней ионосфере ……………………...
5.7.2. Процессы в средней ионосфере ……………………..
5.7.3. Вариации концентрации электронов области F
ионосферы …………………………………………………...
6
199
201
202
202
203
203
203
204
204
204
205
205
205
206
207
208
208
210
211
211
212
212
214
214
214
215
222
222
223
225
227
229
230
231
233
233
236
236
238
238
5.7.4. Вариации температур электронов и ионов …………
5.7.5. Динамические процессы в верхней ионосфере …….
5.7.6. Сравнение с данными других наблюдений …………
5.7.7. Сравнение атмосферно-ионосферных эффектов
затмений Солнца 1999, 2003, 2005 и 2006 гг. ……………..
5.8. Основные результаты ………………………………………..
Литература к главе 5 ………………………………..
Глава 6. Эффекты солнечного затмения 1 августа 2008 г. ………….
6.1. Общие сведения ……………………………………………...
6.2. Сведения о солнечном затмении ……………………………
6.2.1. Общие сведения ………………………………………
6.3. Состояние атмосферной и космической погоды …………..
6.3.1 Метеорологическая обстановка ……………………...
6.3.2. Гелиогеофизическая обстановка …………………….
6.4. Средства наблюдения и радиозондирования ………………
6.4.1. Оптическая система …………………………………..
6.4.2. Радиоприемное устройство ОНЧ диапазона ………..
6.4.3. Радар частичных отражений …………………………
6.4.4. Доплеровский радар ………………………………….
6.4.5. Радар некогерентного рассеяния …………………….
6.5. Результаты наблюдений ……………………………………..
6.5.1. Эффекты в приземной атмосфере …………………...
6.5.2. Эффекты в нижней ионосфере ………………………
6.5.3. Эффекты в радиошумах ……………………………...
6.5.4. Эффекты в средней ионосфере ……………………...
6.5.5. Эффекты во внешней ионосфере ……………………
6.6. Результаты расчетов ………………………………………..
6.6.1. Эффекты в приземной атмосфере …………………...
6.6.2. Уменьшение концентрации электронов на
радиотрассе ………………………………………………….
6.6.3. Особенности распространения ОНЧ радиоволны ….
6.6.4. Амплитудный эффект ОНЧ радиоволны …………...
6.6.5. Фазовый эффект ОНЧ радиоволны ………………….
6.6.6. Фазовые вариации, вызванные случайными
неоднородностями …………………………………………..
6.6.7. Фазовые вариации, вызванные
квазипериодическими возмущениями ……………………..
6.6.8. Амплитудные вариации, вызванные
квазипериодическими возмущениями ……………………..
6.6.9. Возмущение интегрального коэффициента
поглощения СЧ радиошумов ……………………………….
6.6.10. Уменьшение концентрации электронов …………...
6.6.11. Оценка амплитуды колебаний ……………………...
6.6.12. Оценка смещения области отражения радиоволны
6.6.13. Температура нейтралов ……………………………..
6.6.14. Частоты соударений заряженных и нейтральных
частиц ………………………………………………………...
239
239
242
242
243
244
247
247
250
250
251
251
253
255
255
255
257
257
258
261
261
263
269
270
296
312
312
316
316
317
317
318
319
320
320
323
324
325
325
325
7
6.6.15. Продольные составляющие тензоров
амбиполярной диффузии и теплопроводности ……………
6.6.16. Плазменная приведенная высота …………………..
6.6.17. Поток плазмы ………………………………………..
6.6.18. Передача энергии к электронам и потоки тепла из
плазмосферы ………………………………………………...
6.7. Обсуждение …………………………………………………
6.7.1. Процессы в приземной атмосфере …………………..
6.7.2. Эффекты на радиотрассе Архангельск – Харьков …
6.7.3. Эффекты в радиошумах ……………………………...
6.7.4. Процессы в средней ионосфере ……………………..
6.8. Основные результаты ………………………………………
Литература к главе 6 ………………………………
Глава 7. Эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. …………..
7.1. Общие сведения …………………………………………….
7.2. Состояние атмосферной и космической погоды …………
7.2.1. Метеорологическая обстановка …………………..
7.2.2. Гелиогеофизическая обстановка ………………….
7.2.3. Сведения о солнечном затмении ………………….
7.3. Средства наблюдения и радиозондирования ……………..
7.3.1. Ионозонд …………………………………………...
7.3.2. Наклонное радиозондирование …………………...
7.3.3. Доплеровский радар ………………………………
7.3.4. Радар некогерентного рассеяния ………………….
7.3.5. Спектральный анализ ……………………………...
7.4. Результаты наблюдений ……………………………………..
7.4.1. Описание ионограмм ………………………………..
7.4.2. Временные вариации критических частот ………...
7.4.3. Временные вариации действующих высот ………..
7.4.4. Временные вариации высоты hp ……………………
7.4.5. Временные вариации концентрации электронов в
максимуме ионизации ……………………………………..
7.4.6. Временные вариации доплеровских спектров …….
7.4.7. Временные вариации амплитуды отраженного
сигнала ……………………………………………………...
7.4.8. Спектральные характеристики вариаций
критической частоты ………………………………………
7.4.9. Спектральные характеристики вариаций hp ……...
7.4.10. Спектральные характеристики вариаций ДСЧ …..
7.4.11. Временные вариации доплеровских спектров на
наклонных радиотрассах …………………………………..
7.4.12. Временные вариации ДСЧ и АОС ………………..
7.4.13. Временные вариации концентрации электронов ..
7.4.14. Временные вариации температуры электронов
и ионов ……………………………………………………
7.4.15. Вариации вертикальной составляющей скорости
переноса плазмы …………………………………………...
8
327
327
327
327
328
328
331
332
334
346
350
357
357
358
358
358
360
360
360
360
361
361
361
362
362
365
369
369
370
372
375
377
377
377
378
380
386
7.5. Результаты расчетов …………………………………………
7.5.1. Уменьшение концентрации электронов …………...
7.5.2. Оценка амплитуды колебаний ……………………...
7.5.3. Оценка смещения области отражения радиоволны
7.5.4. Эффекты ДСЧ ……………………………………….
7.5.5. Вариации АОС ………………………………………
7.5.6. Скорость переноса частиц за счет амбиполярной
диффузии …………………………………………………...
7.5.7. Нейтральные ветры в ионосфере …………………..
7.5.8. Подвод энергии к электронам ……………………...
7.5.9. Поток тепла из плазмосферы ……………………….
7.6. Обсуждение …………………………………………………..
7.6.1. Процессы в средней ионосфере ……………………
7.6.2. Процессы во внешней ионосфере ………………….
7.7. Основные результаты ………………………………………..
Литература к главе 7 ………………………………
Глава 8. Систематизация эффектов солнечных затмений ………….
8.1. Общие сведения ……………………………………………...
8.1.1. Основные сведения о солнечных затмениях ……...
8.1.2. Состояние атмосферной погоды …………………...
8.1.3. Состояние космической погоды ……………………
8.2. Эффекты в приземной атмосфере …………………………
8.2.1. Температурный эффект ……………………………
8.2.2. Эффект конвекции …………………………………
8.2.3. Результаты расчетов ……………………………….
8.2.4. Динамические процессы, сопровождавшие
солнечные затмения ……………………………………...
8.2.5. Обсуждение эффектов в приземной атмосфере …
8.3. Эффекты в средней и верхней ионосфере ………………...
8.3.1. Основные эффекты ………………………………...
8.3.2. Результаты спектрального анализа ………………
8.3.3. Результаты расчетов ……………………………….
8.3.4. Параметры среды …………………………………..
8.3.5. Эффект дополнительной ионизации ……………...
8.4. Эффекты во внешней ионосфере ………………………….
8.5. Инфразвуковой эффект солнечных затмений …………….
8.5.1. Инфразвуковой эффект в средней ионосфере …...
8.5.2. Инфразвуковой эффект в средней и внешней
ионосфере …………………………………………………
8.6. КПД генерации АГВ ……………………………………….
8.7. Основные результаты ………………………………………
Литература к главе 8 ………………………………
Заключение …………………………………………………………
396
396
396
397
397
400
401
404
404
404
404
404
403
417
420
424
424
424
424
427
428
428
428
429
432
436
437
437
438
446
450
453
454
456
457
465
473
474
475
478
389
390
9