На первом этапе (2022 г.) выполнения проекта по итогам критического анализа имеющихся моделей ИАР было высказано предположение, что в резонаторе может существовать два типа стоячих альвеновских волн. Первый из них (тип 1) соответствует случаю, при котором волновая структура достаточно однородна в поперечном к геомагнитному полю направлению, и характерный масштаб поперечной неоднородности превышает толщину воздушной прослойки между ионосферой и землей. Поле первого типа стоячих волн проникает к земной поверхности. Нижней стенкой резонатора в этом случае служит поверхность земли, а не нижняя ионосфера. Благодаря высокой проводимости земли здесь возникает пучность магнитного поля. Тип 2 стоячих альвеновских волн возникает при обратной ситуации, то есть, при сильной неоднородности волновой структуры в поперечном направлении. В этом случае волна не может проникнуть через воздушную прослойку, и нижней границей такого типа стоячих волн будет служить ионосфера, на которой формируется узел магнитного поля волны. На земле при этом колебания наблюдаться не могут. Измерения гармоник ИАР позволяют установить, имеет ли место пучность или узел на нижней границе. В первом случае частоты гармоник соотносятся как ряд нечетных чисел 1:3:5:7:9…, во втором — как натуральный ряд чисел 1:2:3:4:5. Для решения путем наблюдений вопроса о четности гармоник ионосферного резонатора Альвена была разработана и применена специальная математическая процедура, в основе которой лежит представление о треугольных матрицах, представляющих частоты гармоник ИАР. Мы использовали наземные наблюдения ИАР в среднеширотной обс. Монды с 2009 по 2019 гг. и частично обс. Узур [Potapov et al., 2022]. Получены суммарные диаграммы отношения частот гармоник в зависимости от времени суток, сезона, фазы солнечного цикла. Основной результат заключается в том, что отношения частот спектральных полос, как и их обобщенные значения в виде детерминантов треугольных матриц, составленных из отношений частот первых пяти гармоник, оказываются намного ближе к случаю отношения гармоник в виде ряда нечетных чисел. Это свидетельствует о том, что на нижней границе резонатора имеется пучность магнитного поля волны, а на верхней – узел.

Большое значение для поведения ИАР может иметь источник энергии, запитывающий резонатор. По мнению большинства исследователей, таким источником являются молниевые разряды, однако в литературе очень мало информации о том, какие типы молний играют основную роль. Одним из наиболее подходящих типов разрядов в качестве источника энергии для ИАР являются разряды, проявляющиеся в виде ультракороткопериодных пульсаций (импульсов) (УКИ) в диапазоне УНЧ-КНЧ, перекрывающемся с диапазоном излучения ИАР. По данным российских и зарубежных станций выполнен морфологический анализ обнаруженных импульсов, получены их статистические характеристики и их частотный состав. Проведены предварительные расчеты временной задержки распространения УКИ в глобальной системе ионосфера-земля. Выдвинуто предположение о том, что основным источником их генерации являются электрические спрайты – мощные разряды, происходящие в верхней атмосфере над грозовыми областями на средних и низких широтах. Обнаружено, что основным источником УКИ являются не любые молниевые разряды, а возникающие при особо мощных грозах красные спрайты, излучение которых лежит в диапазоне УКИ, а частота их следования примерно равна частоте следования УКИ. Показано, что УКИ возникали после каждого случая появления красных спрайтов из ряда событий, зафиксированных по литературным данным в Северном Китае.

Практическая часть работы основывается на обработке большого объема УНЧ магнитных наблюдений, выполненных с помощью индукционных магнитометров. Были построены суточные динамические спектры наблюдавшихся за 24-й солнечный цикл УНЧ колебаний. Полученные спектрограммы содержат спектральные полосы (гармоники) излучения ИАР. Создана база данных динамических спектров, доступная по адресу https://data.kmio.istp.ac.ru/ и охватывающая наблюдения с 2009 по 2019 гг. на обс. Монды (52 с.ш., 101 в.д.).

Используя накопленные за 11 лет динамические спектры излучения ИАР и результаты радиозондирования, построены сравнительные графики вариаций (суточных, сезонных и солнечно-циклических) спектральных характеристик ИАР и основных параметров ионосферы. Все три типа вариаций оказываются подобными в свойствах спектра ИАР и ионосферных параметрах, однако есть и различия, отражающие сложный характер формирования спектра резонансных колебаний. Природа этих различий будет анализироваться на следующем этапе работ по проекту.

По результатам предварительной теоретической проработки сделан вывод, что проточность ИАР несущественно влияет на спектральный состав колебаний, который практически полностью определяется граничными условиями и распределением плотности плазмы вдоль геомагнитной силовой линии – оси резонатора. В то же время, поперечная структура волнового поля может заметно зависеть от протекания энергичных заряженных частиц в процессе азимутального дрейфа через боковые стенки резонатора. А именно, при условии черенковского резонанса поперечная длина волны определяется скоростью азимутального дрейфа и частотой колебаний, которая практически не зависит от поперечной структуры волнового поля.

Основные сведения о ходе выполнения проекта «Новый метод исследования верхней атмосферы — ультранизкочастотная спектроскопия ионосферы» доступны по адресу http://magnit.iszf.irk.ru/index.php?page=ulf . Дополнительный набор спектрограмм и таблицы отношений частот гармоник ИАР можно найти по адресу URL: https://ieee-dataport.org/documents/iar-spectrograms (требуется подписка).

На втором этапе (2023 г.) выполнения проекта был продолжен сбор результатов измерений ультранизкочастотных магнитных колебаний, выполненных с помощью индукционных магнитометров на сети из трех станций, расположенных на территории Восточной Сибири: обс. Монды (52° с.ш., 101° в.д.), ст. Узур (53° с.ш., 108° в.д.) и высокоширотная станция Исток (70° с.ш., 88° в.д.), расположенная в авроральной зоне. Выполнена предварительная обработка результатов наблюдений на этих станциях и построены суточные спектрограммы (динамические спектры) в диапазоне от 0 до 8 Гц с 2009 по 2019 гг. Завершено формирование базы данных, содержащей суточные динамические спектры УНЧ колебаний с наличием спектральных полос излучения ИАР. В дополнение к материалам наблюдений на обс. Монды, включенным в базу на первом этапе проекта, добавлены спектрограммы станций Узур и Исток. Составлено описание базы данных. Обеспечен открытый доступ к материалам базы по адресу URL https://data.kmio.istp.ac.ru.

Дана характеристика отличий и общих свойств излучения ИАР на средних и высоких широтах. Самым важным отличием режимов излучения ИАР является разное соотношение частот гармоник: оно сильно различается в Истоке от наблюдаемого в Узуре и Мондах. Как было показано в работах [Potapov et al., 2022a, 2022b] по данным станции Монды (средняя широта), конфигурация магнитного поля стоячей альвеновской волны там близка к типу 1 (см. рис. 1 в работе [Potapov et al., 2022b]) с коэффициентом отражения R = –1 от нижней границы резонатора, что соответствует пучности магнитного поля волны на этой границе. (На верхней границе резонатора всегда имеется узел.) Отсюда неизбежно следует соотношение частот последовательных гармоник в виде ряда нечетных чисел: 1:3:5:7… . Противоположный случай коэффициента отражения R = +1 с конфигурацией волнового поля типа 2 с узлом не нижнем торце резонатора и следующим из этого соотношением частот в виде натурального ряда чисел 1:2:3:4… на средних широтах практически не встречается. Это недвусмысленно подтверждают приведенные в [Potapov et al., 2022b] распределения отношений f2/f1, f5/f1 и f5/f2 (рис. 3 в упомянутой работе), построенные по 132 событиям, наблюдавшихся в Мондах, и взятым поровну из 12 лет 24-го цикла солнечной активности. Аналогичный результат мы получили, построив распределения f2/f1 и f3/f1 для гармоник, наблюдавшихся на ст. Узур, рис. 3 в файле «Дополнительная информация». Видно, что на обеих диаграммах пики аппроксимирующего распределения Гаусса лежат в непосредственной близости от ожидаемых для конфигурации типа 1 значений: f2/f1 = 3 и f3/f1 = 5.

Совсем другая картина наблюдается для высокоширотной станции IST (рис. 4). Здесь распределение f2/f1 оказывается размытым между значениями, ожидаемыми для конфигураций стоячей волны типа 1 (f2/f1 = 3) и типа 2 (f2/f1 = 2). А распределение f3/f1 даже имеет острый пик в области f3/f1 = 3.8– 4.0, т.е., точно посередине между ожидаемыми для двух конфигураций значений (3 и 5). Скорее всего, это связано с характером авроральной ионосферы. Можно высказать два предположения. Одно из них — это горизонтальная неоднородность высокоширотной ионосферы, вследствие которой происходит наложение колебаний резонатора с одной конфигурацией стоячих волн на колебания соседнего резонатора с другой конфигурацией. О возможности нелокальных эффектов при наблюдении ИАР упоминалось в работе [Ермакова и др., 2011] при объяснении тонкой структуры спектральных полос. Согласно другому предположению, в возмущенной авроральной ионосфере процесс отражения волны имеет намного более сложный характер, чем на средних широтах. В частности, существенную роль там может играть гиротропия [Беляев и др., 1987].

Высказано предположение о связи уширения спектральных полос ИАР в ночное время суток с эффектом “spread F” (увеличение разброса значений максимума F-слоя на ионограммах), давно известным по результатам радиозондирования ионосферы [Herman, 1966].

В методической статье [Потапов и др., 2023] рассмотрена возможность оценки в разных условиях максимума электронной концентрации области F2 ионосферы (NmF2) по данным о частоте спектральных полос (гармоник) излучения ионосферного альвеновского резонатора (ИАР). Описана простая методика отслеживания частоты спектральных полос в течение суток по измерению их положения на графике суточного динамического спектра ИАР. Предложен алгоритм сравнения измеряемой радиозондом NmF2 с частотами спектральных линий путем предварительного вычисления оценочного фактора. Он формируется на основе нелинейной комбинации частот трех наблюдаемых гармоник. Затем временной ряд этого фактора сравнивается с результатами радиозондирования, и вычисляются коэффициенты корреляции и регрессии, подсчитываются ошибки оценок.

На материале редких случаев круглосуточного наблюдения излучения ИАР в зимние месяцы 2011–2012 гг. была прослежена зависимость средней ошибки определения максимума электронной концентрации от местного времени. Приведены данные о наиболее благоприятных интервалах местного времени для определения NmF2 по данным о частотах гармоник ИАР в зависимости от сезона.

С целью оценки перспективности использования измеряемых характеристик ИАР и других излучений, колебаний, импульсов для диагностики магнитосферы и ионосферы проработан большой объем литературы, посвященной этим проблемам, и составлен обзор по теме. Если говорить в целом о низкочастотном диапазоне, то, пожалуй, первыми примерами успешного использования ОНЧ излучений явились работы Л.Р.O. Стори [1953] по изучению свистящих атмосфериков и обнаружению с их помощью плазмосферы и исследование Д.Л. Карпентера в 1963 г., в котором он обнаружил наличие плазмопаузы (так называемого «колена» Карпентера) путем наблюдения «свистов». Независимо от этих ученых наличие плазмосферы и плазмопаузы было подтверждено К.И. Грингаузом [Грингауз, 1962] по спутниковым наблюдениям.

Основное внимание в обзоре уделено УНЧ диапазону (геомагнитным пульсациям). Здесь основателем гидромагнитной диагностики, как метода получения информации об околоземном пространстве является член коллектива проекта проф. А.В. Гульельми, опубликовавший в соавторстве с В.А. Троицкой в 1973 г. монографию «Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы» [Гульельми, Троицкая, 1973]. Классический пример использования УНЧ сигналов — применение импульсов Pi2 для определения точного момента начала суббури. Анализ геомагнитных пульсаций позволяет также следить за высыпаниями энергичных частиц, попадающих в конус потерь за счет ионно-циклотронной неустойчивости. Большое значение имеют резонаторы, удерживающие УНЧ волны, и волноводы, канализирующие энергию волн. Так, вариации интенсивности колебаний в шумановском резонаторе (фундаментальная частота — около 8 Гц) позволяют следить за глобальной грозовой активностью [Bozoki et al., 2023]. Горизонтальный волновод в слое F2 ионосферы важен тем, что распространяющиеся в нем на большие расстояния волны с частотой более 0.2 Гц переносят информацию об удаленных возмущениях магнитосферно-ионосферной системы, они же реагируют на ионосферные неоднородности на пути своего распространения (см., напр. [Potapov et al., 2002]).

Поскольку в 2022 г. исполнилось 80 лет со дня открытия Xаннесом Альвеном гидромагнитных волн [Alfvén, 1942], позднее названных альвеновскими, мы в честь этого юбилея опубликовали в рамках данного проекта две статьи [Гульельми и др., 2022, 2023а], в которых проиллюстрировали основные свойства альвеновских волн на примере двух альвеновских резонаторов. Оба резонатора имеют дискретный спектр в верхней части диапазона УНЧ колебаний естественного происхождения (ориентировочно от 0.2 до 8 Гц). Одним из них является ионосферным альвеновским резонатором, являющимся основным предметом нашего проекта. Другой, ионно-циклотронный резонатор Альвена (ИЦР), расположен в окрестности геомагнитного экватора и существует благодаря наличию в магнитосферной плазме, помимо ионов водорода, более тяжелые ионы гелия или кислорода. Спектр колебаний ИЦР имеет интересную особенность. А именно, спектральные линии эквидистантны, однако расстояние между смежными линиями много меньше фундаментальной частоты. Еще одна особенность состоит в том, что продольный размер ИЦР увеличивается с ростом номера гармоники [Guglielmi и др., 2000]. Этот резонатор пока не обнаружен экспериментально, но его существование подтверждается работами других исследователей [Михайлова, 2013].

В работе [Гульельми и др., 2023], кроме того, приведено обсуждение роли УНЧ колебаний для экспериментального изучения совсем другой среды — земной коры, весьма эффективным методом магнитотеллурического зондирования (МТЗ).

Подводя итоги, можно сказать, что УНЧ колебания играют важную роль в развитии методов диагностики околоземной плазмы и даже свойств земной коры. Что касается резонансных колебаний ИАР, мы показали, что в прикладном аспекте, при всех своих недостатках (глубокая сезонная вариация, отсутствие их регистрации в отдельные дни), они могут эффективно использоваться в качестве вспомогательного инструмента зондирования электронной концентрации в максимуме слоя F2 ионосферы. Одновременно имеется потенциал использования этого вида альвеновских резонансных колебаний ионосферы для получения новой информации и о других свойствах ионосферы, например, для восстановления высотного профиля концентрации ионов — водорода, гелия и кислорода [Потапов и др., 2016].

Обновлена веб-страница проекта путем добавления в нее описания поставленных целей, использованных методов и результатов и общих выводов исследования, полученных на втором этапе проекта.

Список литературы
(Помеченные звездочкой работы выполнены в рамках проекта)

Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопорт В.О., Трахтенгерц В.Ю. Обнаpужение pезонансной стpуктуpы спектpа атмосферного электpомагнитного шумового фона в диапазоне коpоткопеpиодных геомагнитных пульсаций. Докл. АН СССР. 1987. Т. 297. С. 840–843.

Грингауз К.И. Строение ионизованной газовой оболочки Земли по данным прямых измерений локальных концентраций заряженных частиц, проведенных в СССР. Искусственные спутники Земли. 1962. Вып. 12. С. 105–118.

Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.

*Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. Волны Альвена: к 80-летию открытия. Солнечно-земная физика. 2022. Т. 8, № 2. С. 75–77. DOI: 10.12737/szf-82202210.

*Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. О спектре ультранизкочастотных колебаний ионосферы в диапазоне Рс1. Геофизические исследования. 2023а. Т. 24, № 1. С. 74–84. DOI: 10.21455/gr2023.1-5.

*Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. Ультранизкочастотные резонаторы: к 80-летию открытия волн Альвена // Астрономический вестник. 2023б. Т. 57, №4. С. 385–388. DOI: 10.31857/S0320930X23040047.

Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Поляков С.В. Исследование особенностей резонансной структуры спектра фонового шума в диапазоне частот 1÷10 Гц с учётом наклона магнитного поля Земли. Известия вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, №7. С. 575–584.

Ермакова Е.Н., Поляков С.В., Семенова Н.В. Исследование тонкой структуры в спектре фонового низкочастотного шума на средних широтах. Physics of Auroral Phenomena. Proc. XXXIV Annual Seminar. Apatity. 2011. Т. 34, № 2. Р. 147–150.

Михайлова О.С. Исследование структуры УНЧ-колебаний вблизи плазмопаузы при наличии в магнитосферной плазме тяжелых ионов. Солнечно-земная физика. 2013. T. 23. C. 84–90.

Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Ойнац А.В., Пашинин А.Ю., Райта Т., Цэгмэд Б. Первый опыт оценки ионного состава над ионосферой по данным о частотной структуре излучения ИАР. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 192–202. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-192-202.

*Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Гульельми А.В., Ратовский К.Г., Москалев И.С. Спектральный анализ излучения ИАР для определения величины и изменчивости максимума электронной концентрации NmF2. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, No 3.

Alfvén H. Existence of electromagnetic-hydrodynamic waves. Nature. 1942. Vol. 150. P. 405–406.

Bozóki T. et al. Day-to-day quantification of changes in global lightning activity based on Schumann resonances. J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2023. Vol. 128, iss. 11. P. 1–18, e2023JD038557. DOI: https://doi.org/10.1029/2023JD038557.

Carpenter D.L. Whistler evidence of ‘knee’ in the magnetospheric ionization density profiles. 1963. J. Geophys. Res. Vol. 68. P.1675–1682.

Herman J.R. Spread F and ionospheric F-region irregularities. Reviews of Geophysics. 1966. Vol.4, no. 2. P. 255–299.

Potapov A., Polyushkina T., Afraimovich E., Lipko Yu., Hayashi K. Trans-equatorial propagation of the Pc1 emission on 23 October 1997. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, A7. P. 1128. DOI: 10.1029/2001JA000225.

*Potapov A.S., Guglielmi A.V., Klain B.I. Discrete spectrum of ULF oscillations of the ionosphere. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022a. Vol. 60. Art. no. 4600505. DOI: 10.1109/TGRS.2021.3092738.

*Potapov A.S., Guglielmi A.V., Klain B.I. Ratio between discrete IAR frequencies from observations in the solar cycle 24. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022b, vol. 60, Art no. 2004605, doi: 10.1109/TGRS.2022.3170473.

Storey L.R.O. An investigation of whistling atmospherics. Phil. Trans. R. Soc. Ser. A. 1953. Vol. 246. P. 113–141.