Содержание к диссертации
Введение
1 Волновые возмущения околоземной плазмы и методы их исследования 13
1.1 Перемещающиеся ионосферные возмущения 13
1.2 Методы исследования перемещающихся ионосферных возмущений 17
1.2.1 Ионозондовые методы 17
1.2.2 Метод некогерентного рассеяния 20
1.2.3 GPS-измерения и радиотомография ионосферы 21
1.2.4 Внешнее спутниковое зондирование 24
1.3 Характеристики перемещающихся ионосферных возмущений по данным наземных методов и GPS-измерений 27
1.4 Основные результаты первой главы 31
2 Диагностика волновых возмущений по данным спутникового зондирования 33
2.1 Исходные экспериментальные данные и их обработка 33
2.2 Обращение ионограмм спутникового вертикального зондирования в профили электронной концентрации 38
2.2.1 Теоретическое решение обратной задачи спутникового вертикального зондирования 39
2.2.2 Практическая реализация метода 44
2.2.3 Восстановление полного профиля электронной концентрации 46
2.2.4 Построение пространственных распределений электронной концентрации 49
2.3 Выделение квазиволновых структур на фоне шума и регулярных вариаций ионосферы методом SSA 50
2.3.1 Базовый алгоритм метода SSA 52
2.3.2 Оценка частоты и экспоненциального показателя гармоники методом SSA 63
2.3.3 Определение параметров волновых возмущений ионосферы 66
2.4 Применение метода SSA к модельным данным 70
2.5 Основные результаты второй главы 78
3 Исследование квазиволновых возмущений ионосферы по данным ИСЗ «ISIS-2» и ИСЗ «Космос-1809» 79
3.1 Исходная экспериментальная информация 79
3.2 Выделение квазиволновых вариаций электронной концентрации 82
3.3 Параметры перемещающихся ионосферных возмущений 86
3.4 Основные результаты третьей главы 101
Заключение 104
Литература
- Методы исследования перемещающихся ионосферных возмущений
- Обращение ионограмм спутникового вертикального зондирования в профили электронной концентрации
- Построение пространственных распределений электронной концентрации
- Выделение квазиволновых вариаций электронной концентрации
Введение к работе
Актуальность работы. Характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Возмущения (неоднородности) проявляются в виде вариаций различных параметров среды (локальной электронной концентрации, полного электронного содержания, температуры ионов и электронов). Часто горизонтальное распределение электронной концентрации в ионосфере имеет четко выраженную квазипериодическую составляющую, которую называют волновыми возмущениями. Такие волноподобные возмущения, образующиеся под воздействием атмосферных гравитационных волн [1], называются перемещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ). Они играют фундаментальную роль в энергетике и динамике атмосферы и ионосферы.
ПИВ возникают под воздействием естественных и искусственных факторов. Различными методами волновые возмущения зарегистрированы при движении солнечного терминатора, во время магнитных бурь, солнечных вспышек, землетрясений и т.д. Подобные возмущения являются индикатором состояния окружающей среды (индикатором процессов, генерирующих ПИВ). Это дает предпосылки использования ионосферных наблюдений для диагностики и прогноза различных процессов естественного и техногенного происхождения.
Интерес к проблеме изучения волновых возмущений околоземной плазмы обусловлен тем, что эти исследования имеют важные прикладные аспекты. Ионосфера как среда распространения радиоволн существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации и связи. Например, рефракция радиосигналов системы GPS (Global Positioning System) при пересечении крупномасштабного ионосферного возмущения вносит значительные ошибки в определение координат. При распространении мощных ПИВ происходит генерация мелкомасштабных ионосферных неоднородностей [2], которые в свою очередь снижают эффективность функционирования спутниковых радиотехнических систем и приводят к федингу радиосигналов в СВЧ/ВЧ диапазоне.
Перемещающиеся ионосферные возмущения влияют на траекторные характеристики высокочастотных (ВЧ) радиоволн и, как следствие, на характеристики систем ВЧ связи. Волноподобные ионосферные неоднородности вызывают фокусировку и дефокусировку излучения, многолучевое распространение, замирания коротковолновых радиосигналов (фединг), а в очень возмущенных условиях поглощение радиосигнала делает связь на коротких волнах практиче-
ски невозможной. Точный прогноз таких явлений позволит заблаговременно учесть влияние волновых возмущений ионосферы или выбрать альтернативную возможность обеспечения связи.
Несмотря на большие достижения в изучении ПИВ, многие вопросы их генерации и динамики не получили должного объяснения. Например, до сих пор однозначно не решен вопрос о том, являются ли волновые возмущения периодическим процессом или уединенной волной, перемещающейся на большие расстояния от источника генерации.
Для исследования ПИВ используются методы наземного ионозондового зондирования, когерентного и некогерентного рассеяния, томографии [3] и GPS наблюдения [4]. Однако радары некогерентного рассеяния являются дорогостоящими, сложными, громоздкими установками. GPS наблюдения и методы томографии ограничены по охвату территорий, т.к. требуют использования сети приемных станций на поверхности Земли, расположенных вдоль траектории пролета спутника. Методы наземного зондирования позволяют регистрировать волновые возмущения только во внутренней ионосфере. В то время как информации о характеристиках ПИВ во внешней ионосфере практически нет.
Таким образом актуальной является задача исследования волновых возмущений во внешней ионосфере. Ее решение, как показано в работе, может быть получено с помощью спутникового внешнего зондирования (СВЗ). Этот метод является мощным средством для исследования ПИВ, поскольку дает широтные разрезы всей толщи внешней ионосферы от высоты максимума слоя до высоты спутника в любом долготном секторе. Спутниковое зондирование охватывает большие пространства за относительно короткий интервал времени. Эти эксперименты обеспечивают исследования внешней ионосферы не только в локальных областях над пунктами наблюдений, но и по всему земному шару.
Целью диссертационной работы является разработка метода выделения волновых возмущений ионосферы и определения высотного хода их параметров по данным внешнего вертикального спутникового импульсного зондирования.
Для достижения поставленной в работе цели решены следующие основные задачи.
1. Решена задача обращения ионограмм внешнего спутникового зон-
дирования в -профили и получены высотные зависимости электронной
концентрации выше и ниже максимума слоя .
-
Исследовано состояние внешней ионосферы в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях и получены двумерные высотно-широтные распределения плотности плазмы в плоскости орбиты спутника.
-
Разработана методика выделения волновых возмущений околоземной плазмы на фоне шума и регулярных вариаций ионосферных параметров.
-
Разработан метод определения высотного хода параметров волновых структур с учетом их затухания.
-
Исследованы характеристики ПИВ во время слабых и сильных геомагнитных возмущений, определены направления их перемещения в меридиональной плоскости и предполагаемые источники генерации.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
-
Представлен метод томографирования ионосферы по данным внешнего спутникового радиозондирования в ВЧ диапазоне. Впервые с помощью данной методики получены полные меридиональные сечения ионосферы от высоты спутника до высоты 100 км. В отличие от ранее разработанных методов, для уточнения величин и использована функция Гаусса, а высотный ход электронной концентрации во внутренней ионосфере определен по откорректированной модели IRI.
-
Предложен новый метод детектирования волновых возмущений околоземной плазмы, заключающийся в разделении исследуемых неоднородных структур ионосферы на аддитивные составляющие – тренд, периодические вариации и шум. На основе подхода SSA (Singular Spectrum Analysis), сформулированы критерии, позволяющие делать вывод о наличии или отсутствии в исследуемых рядах периодических вариаций электронной концентрации.
-
Впервые предложена модель, описывающая волновые возмущения ионосферы в виде экспоненциально-модулированных периодических вариаций плазменных частот, которая позволяет учитывать затухание ионосферных возмущений по мере их распространения.
-
Разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для определения высотного хода параметров крупно- и среднемасштабных волновых возмущений внешней ионосферы.
5. Исследованы характеристики ПИВ во внешней ионосфере вдоль
трасс протяженностью несколько тысяч километров. Выделены сложные квази-
волновые структуры, представляющие собой результат взаимодействия крупномасштабных ПИВ, распространяющихся навстречу друг к другу.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками погрешностей) математических методов решения поставленных задач, а так же соответствием полученных результатов основным положениям теоретических и экспериментальных работ других авторов.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы, алгоритмы, программы и полученные с их помощью результаты могут быть использованы для:
-
обеспечения более надежной работы спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) и систем ВЧ-радиосвязи;
-
мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени и своевременного прогноза и учета влияния ионосферных неоднородностей на условия распространения радиоволн;
-
проведения радиофизических спутниковых экспериментов, а так же для обработки большого количества уже имеющихся данных внешнего зондирования, с целью исследования неоднородной структуры ионосферы, изучения протекающих в ней процессов, корректировки и улучшения моделей ионосферы.
Личный вклад автора. Автором лично осуществлена обработка исходной экспериментальной информации; разработана методика разделения пространственного распределения электронной концентрации на регулярную и возмущенную составляющие; проведены все численные расчеты по модельным и экспериментальным данным. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики получения двумерных распределений электронной концентрации в плоскости орбиты спутника; разработке методики определения параметров ПИВ; разработке алгоритмов и программ, реализующих данные методики. Обсуждение полученных результатов и их анализ проводились совместно с научным руководителем.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Методика получения двумерных высотно-широтных распределений
электронной концентрации вдоль орбиты спутника по данным внешнего спутникового зондирования.
-
Методика диагностики волновых возмущений электронной концентрации во внешней ионосфере: разложение пространственных структур ионосферы на регулярную и периодическую составляющие методом SSA; определение высотного хода параметров волновых возмущений путем их аппроксимации экспоненциально-модулированными гармониками.
-
Результаты исследования крупномасштабных (КМ) ПИВ для пяти, рассмотренных в работе, случаев геомагнитных возмущений: амплитуды, экспоненциальные показатели, длины волн, начальные фазы, волновые фронты, направления распространения в меридиональной плоскости.
Апробация результатов исследования. Результаты работы обсуждались на: третьей международной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2010); ХХІІІ всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2011» (Таганрог-Дивноморское, 2011); IV международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2012); международной научной конференции «Математическая физика и ее приложения» (Пятигорск, 2012); международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн. ИРЭМВ-2013» (Таганрог-Дивноморское, 2013); семинаре «Перспективы развития метода вертикального радиозондирования» ФГБУ «ИПГ», 21-22 марта 2013; региональной студенческой конференции «Фестиваль Недели науки Юга России» (Ростов-на-Дону, 2012); 61 и 62 научных конференциях физического факультета ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009-2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, рекомендованных для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук, а также 10 статьей и тезисов докладов в сборниках трудов международных, всероссийских и региональных научных конференций.
Методы исследования перемещающихся ионосферных возмущений
Согласно численным расчетам и наблюдениям [29, 26], при таком механизме генерации могут возникнуть четыре моды колебаний (рисунок 1.1). Мода 1 распространяется практически горизонтально в термосфере по направлению к экватору и доминирует на больших расстояниях от источника. Мода 2 - это возмущение с более короткой вертикальной длиной волны, которое диссипирует, а ее распространение ограничено областью источника. Моды 1 и 2 являются быстрыми КМ ПИВ, скорость которых близка к скорости звука в термосфере. Моды 3 и 4 являются медленными СМ ПИВ, распространение которых связано с отражением от поверхности Земли. Скорости мод 3 и 4 меньше скорости звука. Мода 4 дисси-пирует, мода 3 каналируется вдоль земной поверхности и распространяется от полюса к экватору.
Однако моду 3, наблюдающуюся на средних широтах как СМ ПИВ, трудно связать только с ее источником в полярной ионосфере. Данный факт объясняется тем, что среднемасштабные ПИВ генерируются так же различными источниками в нижней атмосфере, связанными с метеорологическими процессами, движением солнечного терминатора и т.д. Вследствие этого наблюдаемая картина возмущения электронной концентрации часто является суммарным интерференционным волновым полем ВГВ различного происхождения. СМ ПИВ имеют периоды от 10 мин до 1 ч, характерные горизонтальные масштабы 100-300 км и фазовые скорости порядка 100-300 м/с. Данный тип волновых возмущений может иметь все-направленное движение, однако чаще всего удается выделить преобладающее направление. Как правило, СМ ПИВ имеют наклон фронта около 450 вниз относительно плоскости горизонта.
Не смотря на большой объем теоретических и экспериментальных исследований, теория перемещающихся ионосферных возмущений далека от завершения. Это связано с глобальностью и сложностью процессов, происходящих при волновых возмущениях ионосферы. В теоретических работах, как правило, влияние нелинейности среды, вязкости, стратификации и других факторов рассматриваются обособленно друг от друга. Свойства некоторых ПИВ удается объяснить в рамках линейной теории [30]. Вместе с тем в ряде случаев характеристики ПИВ свидетельствуют о необходимости привлечения нелинейной теории. До настоящего времени не возможна полная интерпретация всех экспериментальных результатов. Например, в различных работах приводятся заметно отличающиеся значения скоростей ПИВ даже в рамках одного класса возмущений. В большинстве случаев измеряется только горизонтальная компонента скорости. В то время как измерения полного вектора скорости ПИВ по-прежнему редки. Таким образом, для описания отдельного класса возмущений (СМ или КМ ПИВ) используется некоторый диапазон наиболее вероятных значений амплитуд, длин волн, скоростей и направлений перемещения, а так же вероятность появления возмущений.
Методы, применяемые для исследования ионосферных неоднородностей, довольно разнообразны. Основным источником информации о параметрах ионосферы остаются радиофизические инструменты, в которых по характеристикам отраженных или прошедших сквозь ионосферу сигналов исследуется ее неоднородная структура. Охарактеризуем кратко основные из этих методов, которые условно можно разделить на наземные и спутниковые наблюдения.
Старейшим и одним из основных способов изучения динамики ионосферной плазмы является метод вертикального зондирования (ВЗ) [17, 31]. Ионозонд, располагающийся на поверхности Земли, представляет собой установку, состоящую из передающего, приемного и управляющего устройств. Принцип работы ионозонда основан на эффекте резонансного отражения. В геомагнитном поле радиоволна распространяется в виде двух характеристических волн. В расчетах чаще всего используется о-волна, условие отражения для которой записывается в виде где - частота зондирующего сигнала, – плазменная частота на уровне отра жения, – электронная концентрация, и – заряд и масса электрона.
Передатчик излучает импульсы длительностью десятки микросекунд и мощностью в единицы или десятки киловатт, несущая частота которых в процессе измерения меняется в пределах от 1 до 20 МГц. С помощью приемного и управляющего устройств измеряется время пробега волны от передатчика до отражающей области ионосферы и обратно. На выходе ионозонда записывается ионо-грамма - зависимость действующей высоты отражения (пропорциональной времени запаздывания сигнала) от частоты зондирующего сигнала. В зависимости от режима измерений, ионограммы снимаются каждые 1-15 минут.
Метод вертикального зондирования позволяет получать информацию о со стоянии ионосферы только над измерительной установкой. Его модификацией яв ляется метод наклонного зондирования (НЗ) [32, 17], в котором приемная и пере дающая части ионозонда пространственно разнесены. При этом исследуется уча сток ионосферы, расположенный примерно посередине между приемным и пере дающими пунктами. Отражение при наклонном падении происходит от высоты, где выполнено условие ( - угол между вертикалью и направлени ем луча у основания ионосферного слоя). В случае НЗ частотный диапазон в несколько раз больше, чем при ВЗ, и зависит от длины трассы. Аппаратура для получения ионограмм НЗ и ВЗ не сильно отличается друг от друга, а современные цифровые ионозонды, как правило, позволяют работать в обоих режимах.
Обращение ионограмм спутникового вертикального зондирования в профили электронной концентрации
Для исследования волновых возмущений ионосферы определяется двумерное распределение электронной концентрации в плоскости орбиты спутника [85]. С этой целью проводится расчет серии профилей по ионограммам, зарегистрированным последовательно бортовым ионозондом в течение нескольких минут во время сеанса связи с наземной приемной станцией. Период снятия последовательных ионограмм для спутников «Космос-1809» и «ISIS-2» составляет 8 и 22 секунды, соответственно. Значения плазменных частот на фиксированных высотах (в работе – от 100 км до высоты спутника с шагом 10 км) для всех последовательных профилей записываются в отдельные файлы. Туда же записываются геомагнит 50 ные и географические координаты, соответствующие положению спутника во время снятия ионограмм, а так же значения критических частоты foF2 и высоты максимума hmF2. В среде Matlab разработано программное обеспечение, которое преобразует данные mat-файлы в пространственное распределение электронной концентрации. На рисунке 2.5 качестве примера представлена пространственная структура ионосферы, полученная в средних широтах европейской части России по данным ИСЗ «Космос-1809». На рисунке 2.6 изображено распределение электронной концентрации (плазменной частоты) в плоскости орбиты ИСЗ «ISIS-2» при пролете над приемной станцией Kashima (Япония). Черной линией с кружками на рисунках изображена зависимость высоты максимума области F от геомагнитной широты.
Разработанная методика фактически представляет собой один из способов томографического исследования ионосферы и может быть применена для обработки большого массива спутниковых данных, в том числе зарубежных, накопленных в мировых центрах данных. Полученные пространственные структуры могут быть использованы для уточнения существующих моделей ионосферы и изучения физических процессов, происходящих в околоземной плазме. В данной работе пространственные распределения электронной концентрации используются для исследования квазиволновых структур ионосферы во время геомагнитных возмущений.
Во многих случаях описание физических процессов возможно с помощью функций, состоящих из нескольких слагаемых: 1) тренд – регулярная медленно меняющаяся составляющая, описывающая глобальное поведение ряда; 2) периодическая или сумма периодических составляющих; 3) шум - быстрые нерегулярные малые вариации, в которые обычно включают все, что не укладывается в формальную модель. Рисунок 2.5 – Изолинии плазменных частот, полученные по данным спутникового зондирования. Ионограммы зарегистрированы 10.02.1988 в интервалах времен 06h05m13s - 06h09m52s UT при пролете ИСЗ «Космос-1809» над приемной станцией Ростов-на-Дону.
Изолинии плазменных частот, полученные по данным спутникового зондирования. Ионограммы зарегистрированы 24.11.1979 в интервалах времен 20h29m09s -20h43m47s UT при пролете ИСЗ «ISIS-2» над приемной станцией Kashima (Япония). В данном параграфе описывается методика разложения, полученных на предыдущем этапе исследования, пространственных структур ионосферы на ад дитивные составляющие. Затем делается вывод об отсутствии или наличии в них периодических составляющих - квазиволновых структур, ассоциированных с пе ремещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ). Данные квазиволновые возмущения ионосферы представляются в виде экспоненциально модулированных гармоник. Методика позволяет вычислить высотный ход параметров ПИВ - амплитуду, длину волны, начальную фазу, показатель при экспоненте.
Для выявления скрытых периодичностей на фоне тренда и шума нами используется метод SSA (Singular Spectrum Analysis). Первыми публикациями по данной тематике являются работы [86] и [87]. Строгое математическое доказательство основных положений данного подхода дано в [88]. Описание метода и ссылки на литературу можно найти в [89, 90]. SSA широко применяется во многих областях, где естественно предположить существование тренда и периодическое поведение. В частности, в климатологии [91], метеорологии [92] и геофизике [93, 94]. Метод не требует стационарности ряда, знания модели тренда, а также сведений о наличии в ряде периодических составляющих и их периодах.
Базовый алгоритм метода SSA Решим задачу обнаружения и выделения волновых возмущений в около земной плазме. Параллельно с описанием разработанной методики, для наглядно сти, приводятся примеры ее применения к реальным экспериментальным данным.
Для определения возмущнности ионосферы выбираются значения плазменной частоты на фиксированных высотах с шагом 10 км. Волновые структуры выде ляются на фоне регулярных вариаций ионосферных параметров в функции какой-либо пространственной координаты (рисунок 2.7). В зависимости от удобства интерпретации полученных результатов, в качестве пространственных координат выбираются либо геомагнитные широты ( , градусы), либо длина дуги на фик сированной высоте ( , км). Данные величины однозначно связаны между собой выражением где – координата спутника в момент регистрации первой ионограммы, радиус Земли, - высота слоя. Рисунок 2.7 – Плазменные частоты на фиксированных высотах в зависимости от геомагнитной широты, полученные по ионограммам ИСЗ «ISIS-2» 22.10.1979 в интервале времен c 22h31m27s по 22h42m15s UT. Пусть – исследуемый ряд, т.е. плазменные частоты на фиксированной высоте в зависимости от пространственной координаты ( или ). Методом SSA разложим его в сумму рядов [95], каждый из которых соответствует некоторой существенной стороне исследуемого явления (тренд, шум и, возможно, периодическая составляющая). Базовый алгоритм метода SSA состоит из четырех шагов [96, 88]: вложение, сингулярное разложение, группировка и диагональное усреднение. Первые два в совокупности называются разложением, последние - восстановлением.
Для разложения ряда в сумму аддитивных составляющих, как правило, требуется его повторяемость. Так для нахождения характеристик генерального распределения в статистике используются повторные выборки. Однако ряд существует в единственном экземпляре, т.е. повторяемости нет. В стандартных методах анализа временных рядов в таких случаях на ряд накладываются жесткие ограничения. Например, предположение справедливости параметрической модели ряда, то есть априорное задание вида тренда (линейный, полином невысоких степеней), частоты периодики и т.д.
Построение пространственных распределений электронной концентрации
Разработана методика диагностики квазиволновых возмущений в ионосфере по данным спутникового вертикального импульсного зондирования. Созданы алгоритмы и программы определения высотного хода параметров данных квазиволновых структур – их амплитуд, длин волн, начальных фаз, экспоненциального показателя.
Приведены оценки погрешностей вычисления -профилей по данным спутникового зондирования, подтверждающие возможность выделения слабых волновых структур. Дано обоснование выбора х-волн для обращения ионограмм внешнего зондирования в профили электронной концентрации. Указывается, что данный тип волн дает минимальные погрешности во всем интервале геомагнитных широт.
Решена задача построения пространственного распределения электронной концентрации в плоскости орбиты спутника. Отмечено, что разработанная методика фактически представляет собой один из способов радиотомографии ионосферы.
Волновые возмущения ионосферы представлены в виде экспоненциально-модулированных периодических вариаций электронной концентрации. С помощью метода SSA решена задача выделения волновых возмущений на фоне шума и регулярных вариаций ионосферы. Проведено сравнение подхода SSA и методов, использующих в качестве тренда полиномы невысоких степеней и модель IRI. Отмечено, что метод SSA обеспечивает наилучшее качество аппроксимации и не требует априорного задания модели исследуемого ряда. На основе анализа литературных источников и численного моделирования сформулированы критерии, в соответствии с которыми делается вывод о наличии или отсутствии в исследуемом ряде гармонической составляющей. Апробация разработанного метода на модельных данных показала его высокую эффективность для выделения средне- и крупномасштабных (по отношению к модели IRI) слабых волноподобных возмущений. 3 Исследование квазиволновых возмущений ионосферы по данным ИСЗ «ISIS-2» и ИСЗ «Космос-1809»
Отклик ионосферы на магнитосферные возмущения представляет собой сложный комплекс явлений, зависящих от большого числа факторов. Считается установленным, что во время магнитных бурь в авроральных зонах генерируются волновые возмущения, которые на средних широтах проявляются как средне- и крупномасштабные ПИВ. В настоящей главе проводится исследование ионосферы во время геомагнитных возмущений с целью выявления ПИВ и определения их параметров.
Исходная экспериментальная информация
Разработанная методика апробирована на данных двадцати сеансов спутникового зондирования (9 отечественных и 11 зарубежных), соответствующих возмущенным геомагнитным условиям. Исходные ионограммы зарегистрированы на борту ИСЗ «ISIS-2» и «Космос-1809». Для пяти сеансов зондирования выявлены явные волновые структуры внешней ионосферы, ассоциированные с крупномасштабными ПИВ. Использовались данные трех среднеширотных приемных станций: Ростов-на-Дону, Ottawa (Канада) и Kashima (Япония). Информация об условиях измерений представлена в таблице 3.1.
Кратко охарактеризуем геомагнитную обстановку во время проведения экспериментов. С этой целью будем использовать общепланетарный геомагнитный Kp-индекс и авроральный индекс АЕ. Информация о геомагнитных индексах за контролируемые периоды получена в мировом центре данных по геомагнетизму университета Киото (открытый доступ на сайте http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp).
В течение 22 октября 1979 наблюдалась серия возмущений (рисунок 3.1 а): в 17:00 UT наблюдалось резкое увеличение АЕ-индекса, который достиг значения 380 нТл, а в 20:30 UT АЕ-индекс равнялся 280 нТл. Однако данные вариации аврорального индекса не нашли отражение в значениях Кр-индекса, который Таблица 3.1 - Условия проведения экспериментов
ИСЗ Приемная станция Дата Время, UT Геомагнитная широта Геомагнитная долгота ИнтервалвысотИСЗ, км Kp Kp
24 ноября 1979 наблюдалось серия всплесков авроральной активности (рисунок 3.1. б) при которых АЕ-индекс достигал значений 850 нТл (11:00 UT) и 707 нТл (18:00 UT). При этом Кр=4, что соответствует возмущенному магнитному полю.
18 марта 1973 АЕ-индекс резко увеличивался несколько раз (рисунок 3.1. в): в 12:00 UT до 824 нТл, а в 18:00 UT до 590 нТл. Кр-индекс в течении дня достигал значения 5. В 2:00 UT 20 октября 1981 АЕ-индекс равнялся 344 нТл (рисунок 3.1. г), при этом в 14:00 UT он достиг значения 1164 нТл. Kp-индекс в это время равнялся 7, а пиковое отрицательное значение Dst-индекса достигло значения минус 192 нТл, что соответствует сильной магнитной буре. 10 февраля 1988 в 07:00 UT наблюдалось возрастание АЕ-индекса до 650 нТл, при этом в течение дня он достигал значения 950 нТл, а Кр-индекс равнялся 4-, что так же соответствует возмущенным геомагнитным условиям.
Во всех случаях наблюдался рост авроральной активности. Этот рост, как правило, сопровождается генерацией внутренних гравитационных волн, которые проявляются в ионосфере как перемещающиеся ионосферные возмущения.
Выделение квазиволновых вариаций электронной концентрации Серия последовательных ионограмм внешнего зондирования пересчитыва-лась в высотные профили электронной концентрации, с помощью методики, описанной в параграфе 2.2. Далее восстанавливалась двумерная картина распределения электронной концентрации вдоль траектории спутника. Так как скорость спутника ( 6 км/с) превышает скорость исследуемых неоднородностей ( 0.5 км/с), то считалось, что на данных широтных срезах ионосферы зафиксирован мгновенный портрет ПИВ. Примеры полученных высотно-широтных распределений электронной концентрации для двух исследуемых случаев представлены на рисунках 2.5 и 2.6.
На рисунке 3.2, для сравнения, представлены две пространственные картины распределений электронной концентрации. Верхняя панель – экспериментальное сечение ионосферы, полученное при зондировании с борта ИСЗ «ISIS-2» при пролете над приемной станцией Kashima 22 октября 1979. Нижняя панель – сечение ионосферы, рассчитанное по модели IRI, которое представляет собой некоторый усредненный спокойный ход распределения электронной концентрации для данного региона. Видно, что в эксперименте зарегистрирована некоторая квазипериодическая крупномасштабная структура ионосферы, которая сильно Рисунок 3.2 – Высотно-широтные сечения распределений плазменных частот ионосферы для эксперимента 22 октября 1979: верхняя панель - сечение, полученное путем обращения ионограмм СВЗ, зарегистрированных на борту ИСЗ «ISIS-2» в интервалах времен 22h31m27s22h42m15s UT при изменениях геомагнитной широты от 7.6о до 41.4о; нижняя панель - сечение, рассчитанное по международной модели IRI для тех же геофизических условий. отличается от модели IRI. Данная неоднородность локализована в относительно небольшом интервале высот вблизи максимума слоя и вытянута по широте, что характерно для ПИВ.
Выделение квазиволновых вариаций электронной концентрации
Все, исследуемые в данной работе, волновые структуры зафиксированы в северном полушарии. Поэтому априори предполагалось, что источник их генерации находится в районе северных полярных широт, а сами ПИВ распространяются к экватору в меридиональном направлении, то есть с севера на юг.
Для случая магнитной бури 20 октября 1981, в предположении распростра нения волнового возмущения с севера на юг, полученные параметры ПИВ оказы ваются, по-видимому, физически не реализуемыми: экспоненциальный показа тель больше нуля во всем диапазоне высот. Более того, увеличивается с ро стом высоты и при км амплитуда возмущения должна возрастать в пять раз по мере распространения вдоль трассы 3000 км.
Поэтому было сделано предположение, что данное волновое возмущение, в отличие от четырех других зафиксированных волновых структур, распространяется с юга на север. Источник генерации может находиться в районе полярных широт южного полушария. Возмущение распространяется от высоких широт к низким в южном полушарии. После пересечения экватора, оно регистрируется в северном полушарии как КМ ПИВ, распространяющееся с юга на север (рисунок 3.14).
В пользу такого предположения так же свидетельствуют наклоны волновых фронтов на рисунке 3.12 б. Фронт АГВ/ПИВ в вертикальной плоскости имеет наклон в сторону своего распространения. Различие величины скорости звука на различных высотах в атмосферном волноводе, приводит к тому, что наклон фронта АГВ/ПИВ увеличивается при удалении от источника [116, 117]. Для случая КМ ПИВ, зафиксированного 20 октября 1981, наклон фронта во внешней ионосфере максимален на высоких широтах, т.е. в северном полушарии возмущение распространяется от экватора к полюсу. Рисунок 3.14 – Географические условия эксперимента 20 октября 1981 г. Точками показаны положения ИСЗ «ISIS-2» во время снятия ионограмм внешнего зондирования в интервалах времен 03h24m12s - 03h34m39s UT. Стрелка указывает направление распространения исследуемого волнового возмущения.
Отклонение от вертикального распространения. При наличии градиен тов электронной концентрации (ПИВ) и с учетом магнитного поля Земли, наблю дается отклонение от вертикального распространения зондирующих сигналов. При обращении ионограмм внешнего зондирования в профили электронной кон центрации предполагалось, что зондирование является вертикальным. Для того чтобы оценить ошибки, возникающие в результате такого предположения, по о- и по х-следу ионограммы проводился расчет двух -профилей, которые в об щем случае отличаются друг от друга. Далее путем линейной аппроксимации профилей на фиксированных частотах, рассчитывался усредненный профиль. После обращения серии последовательных ионограмм, по полученным усредненным профилям строилось двумерное распределение электронной концентрации. По данному двумерному распределению, с помощью методики, описанной во второй главе, проводилась диагностика наличия ПИВ. Далее выполнялось сравнение параметров ПИВ, полученных с учетом отклонения от вертикального распространения (о- и х-след) и в приближении вертикального распространения (только х-след). В качестве примера, на рисунке 3.15 представлены длины волн и амплитуды ПИВ, зафиксированного 18 марта 1973.
Высотные вариации относительной амплитуды (а) и длины волны (б) ПИВ, зарегистрированного 18 марта 1973. Сплошная линия - расчет -профилей в приближении вертикального распространения; штриховая ли ния - расчет -профилей с учетом отклонения от вертикального распростра нения. Анализ показал, что при диагностике крупномасштабных ПИВ с небольши ми амплитудами (в работе /(f) ) приближение вертикального распро странения не вносит значительных погрешностей при определении параметров волновых возмущений. Так, в представленном примере (рисунок 3.15) макси мальная погрешность при определении относительной амплитуды и длины волны 101 составила 0.5% и 1% (15 км), соответственно. Однако, для исследования ПИВ с большими амплитудами необходим учет отклонения от вертикального распространения зондирующих сигналов.
Вариации критических частот . Волновые возмущения проявляются в виде вариаций различных ионосферных параметров. Помимо вариаций плаз менных частот на фиксированных высотах, с помощью разработанной методики так же анализировались вариации критической частоты вдоль всей трассы наблюдения. Для пяти рассматриваемых в работе случаев были зафиксированы квазипериодические возмущения , параметры которых приведены в
В настоящей главе проведена апробация разработанной методики диагностики волновых возмущений на примере данных внешнего зондирования с борта ИСЗ «ISIS-2» и «Космос-1809». Для пяти сеансов зондирования выявлены волновые структуры внешней ионосферы, ассоциированные с перемещающимися ионо 102 сферными возмущениями. Путем анализа геомагнитной обстановки во время проведения экспериментов, показано, что данные ПИВ могут быть связаны с авро-ральной активностью.
Получены двумерные распределения плотности плазмы вдоль траектории спутника в возмущенных геомагнитных условиях. Проведено сравнение данных томографических сечений ионосферы с международной моделью IRI. Отмечено, что полученные неоднородные структуры сильно отличаются от усредненного хода параметров внешней ионосферы в спокойных геомагнитных условиях для данных географических регионов.
Определены параметры волновых структур – высотные зависимости амплитуд, длин волн, начальных фаз, экспоненциальных показателей. В соответствии с характерными пространственными размерами (длина волны порядка тысяч км), данные волновые структуры классифицированы как крупномасштабные ПИВ. По двумерным сечениям ПИВ в меридиональном направлении, а так же по высотным зависимостям показателей экспоненты и амплитуд, установлено, что исследуемые КМ ПИВ локализованы в диапазоне высот вблизи максимума слоя . Данный результат находится в согласии с основными теоретическими работами, посвященными ПИВ/ВГВ, а так же с их экспериментальными исследованиями различными радиофизическими методами.
Отмечено, что волновые возмущения электронной концентрации для случаев 20 октября 1981 и 22 октября 1979 имеют сложную структуру. Данные волновые структуры, возможно, представляют собой суммарную картину ПИВ, распространяющихся из разных полушарий навстречу друг к другу, на которую так же могут накладываться естественные неоднородности экваториальной ионосферы.
Отмечено, что во внешней ионосфере волновые фронты ПИВ не являются плоскими. По наклону волновых фронтов и их эволюции во всем интервале наблюдения, а так же путем анализа полученных параметров возмущения, определены направления распространения КМ ПИВ. В случае сильной магнитной бури 20 октября 1981 волновая структура, зафиксированная в северном полушарии, распространяется с юга на север, а предполагаемый источник ее генерации нахо 103 дится в районе полярных широт южного полушария. Другие ПИВ, исследуемые в данной работе, сгенерированы на высоких широтах северного полушария и распространяются в меридиональном направлении в сторону экватора, то есть с севера на юг.
