Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Параметры ионосферы. как канала распространения во время магнитосферных возмущений 15
1.1. Механизмы роста критической частоты F-слоя ионосферы до начала суббури 15
1.2. Исследование ионосферы методом обратного рассеяния во время магнитной бури 34
1.3. Основные результаты главы 1 42
ГЛАВА 2. Аномальные виды распространения на KB радиотрассах 44
2.1. Распространения вне дуги большого круга во время возмущений 45
2.2. Нестандартные (боковые) моды распространения на KB радиотрассе Мурманск- Санкт- Петербург 66
2.3. Основные результаты главы 2 81
ГЛАВА 3. Комплексные исследования на радиотрассах, способствующие улучшению KB радиосвязи 84
3.1. Распространение KB на трех высокоширотных радиотрассах за магнито-возмущенный период 84
3.2. Высокоширотные эффекты на радиотрассе Шпицберген - Санкт-Петербург 99
3.3. Основные результаты главы 3 114
ГЛАВА 4. Прием радиосигналов от KB нагревных стендов в арктике 117
4.1. Краткие сведения о различных высокоширотных KB нагрсвных стендах 118
4.2. Многоканальный доплеровский комплекс 121
4.3. Сканирующий KB комплекс 133
4.4. Основные результаты главы 4 141
Заключение по диссертации 142
Список литературы 146
- Исследование ионосферы методом обратного рассеяния во время магнитной бури
- Нестандартные (боковые) моды распространения на KB радиотрассе Мурманск- Санкт- Петербург
- Распространение KB на трех высокоширотных радиотрассах за магнито-возмущенный период
- Краткие сведения о различных высокоширотных KB нагрсвных стендах
Введение к работе
Диссертация посвящена малоизученным явлениям и закономерностям процессов при распространении коротких радиоволн в высоких широтах во время естественных и искусственных возмущений. К числу этих явлений и процессов относятся: распространение вне дуги большого круга, отражение от градиентов ионизации, рассеяние на крупно- и мелкомасштабных неоднородностях ионосферы, авроральное поглощение, смена механизмов распространения, эффекты при нагреве ионосферы. Преимущество и актуальность настоящего исследования состоит в комплексности наблюдений за счет одновременного использования современных радиофизических средств: вертикального и наклонного зондирования ионосферы, доплеровского метода, радаров CUTLASS и БИЗОН, нагревных стендов, магнито-вариационных станций, риометров, а также в использовании современных методов обработки информации. Получены новые результаты, которые могут найти применение при повышении надежности технических систем KB радиосвязи, радиолокации, навигации и т. п.
Актуальность работы. Вопросы распространения KB в высоких широтах за последнее время получили новое, качественное развитие. Это обстоятельство, прежде всего, связано с усовершенствованием методов обработки сигналов с помощью современной быстродействующей компьютерной техники. Так, скорость передачи данных с 1995 по 2005 год в KB диапазоне возросла в 100 раз. Главный недостаток KB радиосистем - многолучевость сигнала, приводящая к явлению замираний, теперь практически может быть устранена. С другой стороны, известны преимущества KB систем - передача сигналов малыми мощностями на очень большие расстояния, использование простых малогабаритных антенн, а также компактной и дешевой аппаратуры, что очень важно для высоких широт. Доставка сюда громоздкого оборудования, да еще требующего больших энергетических затрат, разумеется, не всегда оправдана. Альтернативой KB систем могли бы служить спутниковые радиосистемы, однако они до сих пор дороги. Поэтому исследования вопросов распространения KB в высоких широтах представляются актуальными и важными не только с научной точки зрения, но и с практической -для обоснованной организации KB радиосвязи, для проблем навигации и радиолокации.
Известно, что в высоких широтах ионосфера весьма неоднородна, поскольку она, прежде всего, состоит из различных крупномасштабных структур со своими специфическими особенностями поведения (главный ионосферный провал, овал полярных сияний, полярная шапка и т.п.). Кроме того, высокоширотная ионосфера подвержена воздействию высыпающихся потоков частиц во время возмущений, электрических полей, ветров и т.д. Динамика ионосферы приводит к нарушению ее регулярной структуры и образованию мелкомасштабных неоднородностей и градиентов электронной концентрации. Неоднородности и градиенты при распространении радиоволн иногда приводят к изменению траектории волны в пространстве - вместо траектории вдоль дуги большого круга образуется новый путь сигнала (боковой), например, с отражением от градиентов ионизации или за счет рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Подобные боковые сигналы являются существенной помехой при приеме сигналов в системах радиосвязи, навигации и радиолокации. Поэтому их изучению необходимо уделять должное
внимание. Ранее предпринимались попытки исследования природы образования нестандартных мод распространения и условий их возникновения. Однако для высоких широт полученных результатов, особенно для различной геомагнитной возмущенности, явно недостаточно.
Все вышесказанное относится к естественным процессам в ионосфере. Что касается искусственного воздействия на ионосферу, в частности, мощного KB радиоизлучения от нагревных стендов, то оно приводит к возникновению искусственных ионосферных неоднородностей, поглощению радиоволн, радиоизлучению ионосферы, ее свечению, изменению проводимости и т. п. Разнообразие перечисленных недостаточно изученных явлений требует тщательного их анализа, особенно в высоких широтах. При этом важное значение имеет диагностика и контроль характера излучения различных KB нагревных стендов на значительном расстоянии от места нагрева, что можно осуществить методами распространения радиоволн. Проблема представляет не только чисто научный интерес с точки зрения изучения специфики распространения KB в высоких широтах при различных геофизических условиях, но также и практический интерес, связанный с прикладными задачами. Так, осуществление дистанционного контроля за излучением различных KB нагревных устройств дает возможность понять, какие искусственные ионосферные явления могут быть получены при конкретном режиме излучения.
Цель работы заключается в том, чтобы исследовать на основе современных методов обработки информации малоизученные явления и специфические процессы в ионосфере высоких широт во время магнитосферных возмущений и искусственных воздействий на нее для научно-обоснованного проектирования и повышения эффективности эксплуатации KB радиосистем в Арктике.
Основные задачи:
Выявить системные закономерности и физические механизмы вариаций критических частот ионосферы во время магнитосферных суббурь. Изучить динамику и структуру высокоширотной ионосферы по данным KB радаров для магнитной бури.
Дать общую характеристику аномальных видов распространения KB на радиотрассах (вне дуги большого круга) в том числе и во время возмущений. Провести моделирование данных видов распространения, основываясь на компьютерных методах обработки информации из экспериментальных данных.
Изучить особенности распространения KB на трассах с помощью аппаратуры, позволяющей измерять отношение сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и углы места совместно с аппаратурой наклонного зондирования ионосферы (НЗИ).
Исследовать новые эффекты в ионосфере и распространении KB во время искусственного возмущения (нагрева) ионосферы.
Методы исследования:
В процессе работы над диссертацией основным источником данных явились экспериментальные наблюдения как на отечественных радиотрассах и аппаратуре, так и зарубежных коллег. Это вертикальное зондирование ионосферы, наклонное зондирование (трассы), магнитометры, риометры, радары и ресурсы Интернета. При интерпретации результатов работы использовались методы системного
анализа, методы компьютерной обработки экспериментальных материалов и методы численного моделирования траекторий радиоволн на трассах (ray tracing).
Положения, выносимые на защиту
Результаты исследований системных закономерностей процессов в высокоширотной ионосфере (как канале распространения KB), которые происходят за периоды магнитосферных возмущений различной длительности и интенсивности (бури, суббури).
Результаты анализа особенностей образования и существования аномальных, т. е. не стандартных, видов распространения радиоволн в высоких широтах за периоды слабой и существенной магнитной активности.
Результаты комплексных радиофизических исследований условий прохождения радиоволн на трассах различной протяженности с привязкой этих условий к геофизической обстановке в околоземном пространстве.
Системный анализ и научное обоснование новых эффектов в ионосфере и ионосферном распространении KB за счет искусственного воздействия на верхнюю атмосферу мощного нагрева с поверхности Земли.
Научная новизна
Определены малоизвестные механизмы образования положительных вариаций критических частот слоя F2 ионосферы продолжительностью 6-8 ч до начала развития взрывной фазы изолированной суббури. Они связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли. Показано, что механизмы изменения электронной концентрации в слое F2 ионосферы во время всех трех фаз суббурь в средних и высоких широтах различны.
Обнаружен эффект появления боковых сигналов на KB радиотрассах в дневное время во время суббурь, который является достаточно новым, малоизученным. По статистике боковые сигналы в виде рассеянных волн в основном имеют место в ночные часы, тогда как сигналы, отраженные от градиентов ионизации, встречаются в любое время суток за периоды возмущений (бури, суббури). Моделирование боковых сигналов посредством метода ray tracing показало удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных ионограммы НЗИ.
С помощью аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровский сдвиг частоты и угол места приходящих радиоволн на трассах, определены новые эффекты в поведении указанных параметров во время начала суббурь и магнитных бурь. Наклонное зондирование ионосферы позволило обнаружить закономерности перераспределения мод распространения на радиотрассе при воздействии на нее главного провала ионизации и магнитосферных суббурь.
Выявлены особенности новых эффектов в высокоширотной ионосфере и распространении KB на трассах, таких как образование мелкомасштабных неоднородностей, ракурсное рассеяние радиоволн и др. во время искусственного нагрева ионосферы.
Научная и практическая ценность
Физически обоснованный эффект роста критической частоты слоя F2 ионосферы за несколько часов до начала магнитосферных возмущений можно рассматривать как реальное средство краткосрочного (за 2-3 часа) прогноза развития возмущения, что чрезвычайно актуально в вопросах создания методик прогнозирования состояния околоземного космического пространства.
Исследование структуры ионосферы с помощью метода наклонного обратного рассеяния во время магнитных возмущений типа бурь показало, что данный метод является весьма перспективным с точки зрения условий распространения радиоволн, так как фактически он в реальном времени дает картину состояния ионосферы на первой половине пути возможной трассы и в ее точке отражения.
Установленный характер возникновения боковых сигналов (вне дуги большого круга) на высокоширотных трассах во время возмущений позволяет в определенной мере оценить ожидаемый урон в работе радиолокационных, связных и навигационных KB радиосистем в высоких широтах, поскольку именно данный аномальный тип распространения является основной причиной сбоев в работе KB систем, спроектированных на принципах использования стандартных мод распространения.
На основе анализа данных аппаратуры, позволяющей измерять значения отношения сигнал/шум, доплеровского сдвига частоты и угла места, а также аппаратуры наклонного зондирования ионосферы на радиотрассах во время возмущений определены условия появления или изменения характеристик сигналов, что важно для эффективной работы всех высокоширотных KB радиосистем.
Установлено, что эффекты нагрева ионосферы могут быть использованы для определения характера и режима работы нагревных средств с помощью удаленных приемников, фиксирующих распространяющиеся радиосигналы как от передатчиков нагревных стендов, так и от области нагретой ионосферы.
Полученные научные результаты диссертационной работы используются при планировании и проведении экспериментов по модификации ионосферы мощным KB радиоизлучением, а также контроле за излучением KB нагревных комплексов в ГУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт». Разработанные многоканальный KB доплеровский комплекс и сканирующий KB комплекс, установленные на обсерватории ГУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» «Горьковская», используются для дистанционного контроля радиоизлучения нагревных комплексов и регистрации ракурсно-рассеяных сигналов как от естественных, так и искусственных ионосферных неоднородностях. Также сканирующий KB комплекс применяется для регистрации искусственного радиоизлучения ионосферы, вызванного воздействием нагревного стенда SPEAR.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов основывается на следующем. 1) Количество экспериментальных данных по ионосфере и распространению радиоволн достаточно для того, чтобы достоверно формулировать результаты и делать выводы. 2) Объединение как можно большего числа видов наблюдений, таких как вертикальное и наклонное зондирование, радары, магнитометры, риометры и др. с целью получения достоверной информации об ионосфере и условиях распространения на трассах. 3)
Подтверждение результатов модельных расчетов параметров распространения методом ray tracing соответствующими экспериментальными данными в необходимом объеме. 4) Неоднократная проверка полученных в работе результатов и выводов совместно с их физической интерпретацией по материалам, достигнутым ранее и не вошедшим в состав диссертации.
Взаимоотношения с соавторами. Все представленные в диссертации основные результаты и выводы, особенно новые, которые опубликованы в 15 научных работах, являются оригинальными и получены автором лично. Научный руководитель помогал сформулировать общий план исследований и отдельные его детали как следствие совместных обсуждений и анализа данных. Иностранные соавторы помогали в основном в получении исходных данных и при подготовке публикаций за рубежом. Сам автор лично участвовал в разработке аппаратуры и ее использовании для исследований эффектов в ионосфере и распространении радиоволн во время искусственного нагрева ионосферы. Также автором проведена компьютерная обработка информации, анализ полученных материалов с позиций научных достижений и физическая интерпретация экспериментальных фактов.
Апробация работы. Результаты, сформулированные в диссертации, докладывались на Научных сессиях ГУАП, посвященных Дню космонавтики (Санкт-Петербург, 2009, 2010), Международном семинаре «Сеть высокочастотных радаров СуперДАРН как мощный инструмент космических исследований: принципы, методы, результаты» (Иркутск, 2008), 7-ой и 8-ой Международных конференциях "Problems of geocosmos" (Санкт-Петербург, 2008, 2010), 37-ой Научной ассамблее COSPAR (Монреаль, 2008), International Conference on Electromagnetics on Advanced Applications (Sydney, Australia, 2010), Научных семинарах ААНИИ (2009, 2010), Конференции молодых специалистов ГУ НПО «Тайфун» (Обнинск 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ:
- 7 статей в реферируемых журналах: «Известия вузов. Радиофизика» - 1,
«Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 2, "Annales Geophysicae" EGU - 1, "Advances
in Space Research" COSPAR - 2, "Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial
Physics" EGU-1.
- доклады на международных конференциях - 5, на других - 4.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 2-х приложений. Основное содержание диссертации изложено на 151 странице и содержит 44 рисунка и 4 таблицы.
Исследование ионосферы методом обратного рассеяния во время магнитной бури
В утренние часы перед моментом То с 06:00 до 12:00 ч увеличенная ионизация в слое F2 (AfoF2 0), см рисунок 1.66, вызвана механизмами, перечисленными в п. 2.5 для дневных условий на средних широтах. Схема вариаций AfoF2 после То может быть объяснена следующим образом. Два отрицательных минимума AfoF2 в 12:30 — 16:00 LT и в 19:00 - 23:00 LT вызываются физическими причинами, отмеченными только что для высоких широт. Дополнительной причиной является то, что иногда электрические поля магнитосферной конвекции могут проникать на средние широты, обусловливая ЕхВ вертикальные дрейфы и изменение состава и распределения плазмы [54, 109]. Что касается положительного максимума в 16:00 - 19:00 LT, т. е. дневного подъема AfoF2, то тут могут быть несколько причин. Во-первых, обычно положительный эффект бури после полудня (AfoF2 0) на средних широтах, южнее зоны возмущенного состава [51], связан с ветрами к северу, которые вызывают движение воздушных масс вниз (downwelling), что в свою очередь приводит к росту NmF2 и положительным значениям AfoF2. Во-вторых, согласно [54] положительный подъем AfoF2 в вечерние часы может быть обусловлен формированием главного ионосферного провала - dusk effect. Полагаем, что эта версия с неполной степенью достоверности может быть применена и к суббурям. В-третьих, еще одним возможным механизмом образования положительного пика AfoF2 после Те на рисунке 1.66 может быть следующий. Днем во время поджатая входного слоя магнитосферы за счет межпланетной ударной волны плазменный слой деформируется, приближаясь к Земле. Далее частицы из плазмосферы высыпаются в ионосферу вдоль плазмопаузы и к югу от нее, т.е на широтах порядка 50 и ниже. Этот механизм (как и отмеченный выше - нагрев в кольцевом токе), приводя к дополнительной ионизации F-слоя, может быть некоторым образом связан с механизмом образования SAR arcs - субавроральных красных дуг. Последние встречаются во время сильных магнитных возмущений к югу от экваториальной границы главного ионосферного провала (Фь 50) на высотах F-слоя (350 - 400 км). Электронная концентрация в них значительно выше, чем в окружающей ионосфере. В четвертых, дополнительным источником ионизации (AfoF2 0) могут быть высыпающиеся частицы, ускоренные частицы солнечного ветра, из входного слоя магнитосферы днем перед моментом То. Более подробно на эффектах в ионосфере после момента То не останавливаемся, чтобы не отклоняться от сформулированной во введении основной задачи.
Полярная ионосфера, включающая авроральный овал и полярную шапку, отличается высокой динамичностью поведения, сложностью своей структуры и насыщенностью различными явлениями и процессами. Область, расположенная к югу от аврорального овала, охватываемая понятием субавроральная ионосфера, также достаточно специфична и имеет особенности, отличные от высокоширотной и среднеширотной ионосферы. Последнее время субавроральная ионосфера является объектом повышенного внимания исследователей в силу недостаточной ее изученности. Здесь широко используются геофизические и радиофизические методы наблюдений как традиционного типа — вертикальное и наклонное зондирование ионосферы, так и новые, например, с помощью спутников, различных радаров и другие. Современная тенденция - комплексность наблюдений и сопоставление данных. Особое значение комплексность наблюдений имеет за периоды магнитных возмущений.
Здесь ставится задача исследовать с помощью аппаратуры наклонного обратного рассеяния (НОР) особенности поведения субавроральной ионосферы и ее параметры во время знаменитой магнитосферной бури 6-11 января 1997г., которая широко изучается в рамках программ CEDAR, ISTP и др. [28, 42, 51, 55, 67]. Известно, что за периоды бурь или суббурь структура субавроральной ионосферы достаточно переменчива, поэтому здесь главная задача состоит в том, чтобы правильно идентифицировать ионограммы НОР, т.е. выполнить обоснованное сопоставление (привязку) следов на ионограммах НОР тем или иным физическим процессам или явлениям. К последним относятся: главный ионосферный провал (ГИП); граница диффузных высыпаний (ГДВ), формирующая полярную стенку провала (ПСП); возникающие во время суббурь или бурь узкий провал ионизации (УПИ) и кольцевой ионосферный провал (КИП); граница диффузного свечения (ГДС), расположенная к югу от экваториальной границы овала полярных сияний; конвективный вынос плазмы с повышенной концентрацией из дневного каспа и другие.
Поставленная задача в отличие от аналогичных исследований, проведенных ранее [14, 32, 97, 28, 55, 67] отличается тем, что здесь на основе современных представлений о субавроральной ионосфере и комплексного сопоставления данных подробно изучается динамика основных структур субавроральной ионосферы во время магнитной бури 10.01.97г. В северной части европейского региона подобные многоплановые исследования с использованием метода НОР на территории России ранее не выполнялись.
Аппаратура наклонного обратного рассеяния БИЗОН, с помощью которой проводился эксперимент 10.01.97г., представляет собой двухканальную версию цифрового ионозонда для вертикального и наклонного зондирования ионосферы [80]. Этот инструмент работает подобно радару и дает возможность определять одновременно следующие характеристики: частоту отраженного от ионосферы сигнала, высоту (дистанцию) отражающего слоя ионосферы, амплитуду и фазу отраженного сигнала, доплеровский сдвиг и спектр, поляризацию волн. Частотный диапазон составляет 1-30 МГц, излучаемая мощность Р = 10 кВт. Ионозонд БИЗОН установлен на обсерватории Горьковская, ААНИИ, вблизи Санкт-Петербурга. Приемная и передающая антенны (двойные ромбы с ДН 30) ориентированы на север. Здесь рассмотрены данные наблюдений на БИЗОНе во время известного магнитного возмущения 10 января 1997 года. Для описания этого возмущения использовался широкий спектр геофизических данных ряда обсерваторий Швеции, Финляндии и России (рисунок 1.7), находящихся в предполагаемом районе обратного рассеяния сигналов БИЗОНа: Тромсе, Кируна, Люкселе и Уппсала (ионосферные данные), Горьковская (ионосферные и магнитные данные), Соданкюля (ионосферные параметры, риометрические данные, геомагнитные данные: X, Y и Z), Оулуярви (геомагнитные данные: X, Y и Z), Нурмиярви (геомагнитные данные: X, Y и Z ). Геомагнитные данные по всем обсерваториям показывают, что начало геомагнитной бури за 10.01.97 г. имело место в 01.00 UT и окончание в 03.00 UT следующего дня. Наши наблюдения методом НОР лежат в интервале (15 - 17 )UT, т. е. они приходятся на максимум возмущения, ближе к началу фазы восстановления. По данным работ [21, 22] во время магнитной бури главный ионосферный провал (ГИП), от полярной стенки которого в нашем случае наиболее вероятны НОР, движется к югу относительно роста Кр со средней задержкой на 2,2 часа и достигает минимальных широт к концу главной фазы магнитной бури. Для надежной интерпретации экспериментальных ионограмм БИЗОНа были проведены расчеты положения крупномасштабных структур ионосферы, от которых наиболее вероятно обратное рассеяние сигналов. На рисунке 1.7 для 15.00UT представлены положения аврорального овала [62], границы диффузного свечения (ГДС), границы диффузных высыпаний (ГДВ), совпадающей с полярной стенкой провала (ПСП) [61], и узкого провала ионизации (УПИ).
Нестандартные (боковые) моды распространения на KB радиотрассе Мурманск- Санкт- Петербург
Из общего количества 182 ионограммы 56 (или 31%) оказались с боковыми отражениями или с диффузным рассеянием сигнала на трассе преимущественно в вечерне-ночном секторе суток. Все они связаны с особенностями высокоширотной ионосферы, поскольку точка отражения трассы лежит на геомагнитной широте Фь = 60,5. Для высоких широт, как отмечалось в начале главы, отклонения от дуги большого круга при распространении радиоволн вызываются главным образом вариациями электронной концентрации в ионосфере. Наиболее часто именно градиенты электронной концентрации или неоднородности в ее распределении вызывают отражение или рассеяние сигналов. Максимум вероятности рассеянных отражений в высоких широтах лежит по статистике после полуночи [106]. Образование неоднородностей и динамика высокоширотной ионосферы в значительной мере определяются сильным внешним электрическим полем. В высоких широтах неоднородности имеют размеры от нескольких десятков метров до десятков километров. Мелкомасштабные (50-100м) чаще образуются ночью во время магнитных возмущений. Неоднородности значительных масштабов формируются часто на границах высыпания мягких частиц [65].
Отражение или преломление радиоволн на ионосферных неоднородностях в области отражения вызывает явление F-рассеяния, когда сигнал, отраженный ионосферой, становится очень диффузным и теряет строго определенную структуру. Чем выше расположен максимум электронной концентрации, тем больше вероятность появления F-рассеяния и больше амплитуда возмущений в области максимума F-слоя (ночью) [66]. Выделяют два главных типа F-рассеяния, наблюдаемых на ионограммах вертикального зондирования ионосферы [15, 91]. а) Рассеяние по высоте (диапазонное), когда низкочастотный отрезок ионограммы имеет диффузный характер, что затрудняет отсчет кажущейся высоты. Но критические частоты могут быть легко определены. б) Рассеяние по частоте (частотное), когда диффузные отражения наблюдаются в районе критических частот. Критические частоты определяются с трудом или их невозможно определить. Иногда оба типа F-рассеяния могут наблюдаться одновременно. Существуют пять основных моделей создания рассеянных отражений на ионограммах вертикального зондирования ВЗ [15]. 1) Ракурсное рассеяние от неоднородностей, сравнительно тонких по отношению к длине волны зондирующего сигнала. Если неоднородности, параллельные силовым линиям магнитного поля, имеют размер малой оси порядка длины волны, то они создают диапазонное F-рассеяние. Если неоднородности имеют размеры больше длины волны, то имеет место частотное F-рассеяние. 2) Волнообразный захват радиоволн крупными неоднородностями. Неоднородности, служащие в качестве волновода, должны быть достаточно большими, но не более 10 км в поперечнике. Эти неоднородности создают отражения посредством канализации радиоволн до уровня отражения и обратно, причем распространение волн происходит в меридиональной плоскости. Неоднородности эффективны только на уровне отражения. Они создают F-рассеяние частотного типа. 3) Преломление на краях крупномасштабных понижений концентрации ионосферной плазм ъь В результате преломления возникают многократные отражения на частотах вблизи критической частоты слоя F. Диапазонное рассеяние образуется при отражении от неоднородностей, локализованных на уровне отражения обычного сигнала в слое F и по форме напоминающих «желоб» или «ступеньку». Следует отметить, что преломление по модели 3 встречается очень редко (в 1% всех случаев ионограмм). 4) Полное внутреннее отражение от волнообразных крупномасштабных перемещающихся возмущений ионосферы. При полном отражении от волнообразных поверхностей в слое F2 создаются рассеянные отражения диапазонного типа. 5) Зеркальные отражения радиоволн от крупномасштабных неоднородностей ионизации. F-рассеяние на всех широтах обусловлено полным внутренним отражением радиоволн от крупномасштабных неоднородностей ионизации с размерами от 10 до 100 км. Так, многократные отражения от резких градиентов ионизации на краях ГИП могут вызвать частотное F-рассеяние в этой зоне. Поскольку стенка ГИП неровная, то любое искривление приводит к образованию большого числа отраженных лучей, следовательно возникает F-рассеяние частотного типа. Иногда при наличии отдельных неоднородностей дефокусировка важна при образовании диапазонного рассеяния. На высоких широтах крупномасштабные неоднородности, создающие F-рассеяние частотного типа за счет полного внутреннего отражения радиоволн, содержат также мелкомасштабные неоднородности, вытянутые вдоль магнитного поля. Эти неоднородности вносят свой вклад в общую диффузность за счет ракурсного рассеяния. Анализ экспериментальных ионограмм НЗИ на трассе Мурманск - Санкт-Петербург по всему массиву данных показал следующие статистические закономерности появления боковых сигналов [8]. Для спокойных и слабовозмущенных условий отличий в появлении и поведении боковых не обнаружено, хотя возможны отличия в параметрах ионосферных слоев, например, в значениях критических частот. Здесь физика явления преимущественно описывается моделью 1 (диапазонное в основном или частотное F-рассеяние) или моделью 5 (частотное в основном или диапазонное рассеяние). По статистике ночью на трассе преобладает диапазонное рассеяние, хотя иногда наблюдается и частотное. Для умеренно возмущенных условий лучше всего удовлетворяет модель 1, однако возможны случаи применимости моделей 5 или 4. На трассе преобладает диапазонное рассеяние. Для существенно возмущенных условий работают модели 5 (главная), а также 1 или 2. Здесь преобладает частотное рассеяние. Случаи суббурь лучше всего описываются моделью 5 (главная) или моделью 1. Частотное рассеяние является преобладающим. Случайные события появления боковых сигналов в спокойных условиях характеризуются моделью 1 (главная) или моделью 5.
В качестве примера отмеченных выше закономерностей рассмотрим различные по степени возмущешюсти периоды, а именно, 10-12 октября и 23-28 октября 2003 года. Все выявленные здесь 56 экспериментальных ионограмм с боковыми отражениями были разделены на 6 групп по следующим признакам. Три спокойных дня 10, 11 и 12 октября, см рисунок 2.5, характеризуются близкими по параметрам боковыми отражениями вечером и ночью. Они начинаются в 19-21 UT и заканчиваются в 03-04 UT. В качестве типового был выбран период вечер 10 октября -ночь 11 октября. Здесь среднее значение Dst-индекса имеет значение - 3 нТл, а АЕ-индекс не превышает 80 нТл, см рисунок 2.5. Начало появления боковых отражений 20:48 UT, а конец 02:48 UT (семь ионограмм). Пример ионограммы за 10.10.2003 в 21:48 UT приведен на рисунке 2.6а. Из рисунка 2.6а видно, что боковой сигнал на ионограмме имеет выраженную диффузную структуру, протяженную по дальности и по частоте. С ростом частоты для данной структуры временная задержка (дальность) растет. Здесь имеет место диапазонное и частотное F-рассеяние, причем первое преобладает над вторым. Следовательно, рассматриваемый период скорее всего характеризуется моделями 1 или 5. Для модели 1 имеет место ракурсное рассеяние на тонких неоднородностях, которые имеют размер малой оси порядка длины волны. Они сосредоточены вблизи границы диффузных высыпаний (ГДВ) или северной границы главного ионосферного провала (СГП). Для модели 5 боковые отражения наиболее вероятно вызваны самой полярной стенкой ГИП.
Распространение KB на трех высокоширотных радиотрассах за магнито-возмущенный период
Основная задача моделирования методом ray tracing состояла в том, чтобы на основе физических представлений воссоздать (построить) синтезированные ионограммы НЗИ для различных моделей 1-5, описанных выше, и сравнить расчетные ионограммы с экспериментальными. Моделирование ионограмм наклонного зондирования на трассе распространения KB радиоволн Мурманск - Санкт-Петербург выполнялось для геофизических условий выбранного к рассмотрению периода эксперимента 10-12 и 23-28 октября 2003 года.
За основу описания пространственно-временных изменений среды распространения радиоволн была взята глобальная модель ионосферы, построенная на основе объединения известных моделей отдельных ионосферных слоев Е-, F1-, F2- и межслоевых долин (долгосрочный прогноз параметров слоя F2 ИЗМИР АН [3, 27], международная модель IRI [88]). Входным параметром данной модели ионосферы является предложенный в работе [6] эффективный аналог числа Вольфа W3. Он учитывает влияние на распределение Ne(h) вдоль трассы не только солнечной активности, но также и магнитной активности, заданной планетарным индексом Кр. Моделирование ионограмм наклонного зондирования сигналов декаметрового диапазона проводилось в рамках приближения двухмасштабного разложения метода геометрической оптики, учитывающего плавные горизонтальные неоднородности ионосферы [13]. На конкретном шаге интегрирования параметры ионосферы полагались постоянными. Высотный профиль электронной концентрации Nc(h) в разработанном алгоритме представлен набором отрезков квазипарабол с непрерывными значениями как самих функций Nc(h), так и первых её производных dNe(h)/dh в местах соединения. Введённая квазипараболическая аппроксимация ТМе(п)-профиля допускает точное интегрирование уравнения эйконала. Следует отметить, что обычно при моделировании KB радиоканалов, пересекающих полярную и субполярную ионосферу в периоды возмущений, необходимо иметь в виду, что большинство моделей ионосферы не адекватны происходящим в ней быстрым процессам, и поэтому следует привлекать информацию о текущем состоянии ионосферы вдоль трассы распространения. С этой целью были использованы данные радара CUTLASS, станций ВЗ EISCAT, Соданкюлы и Горьковской. В периоды возмущений в октябре 2003г. была отмечена значительная перестройка вертикальной структуры ионосферы в области географических координат расположения трассы НЗ: вертикальная структура была сильно неоднородной, о чем свидетельствуют рассеянные отражения и от области F, и от области Е; в области Е наблюдались спорадические образования (слои) типа «a», «s» и «г», которые иногда экранировали вышележащую область F; наблюдалось полное или частичное поглощение радиоволн.
В численной модели радиоканала, в качестве механизмов отражения сигнала, кроме регулярного отражения от ионосферы вдоль трассы распространения Мурманск - Санкт-Петербург, рассматривались также боковые траектории с рассеянием на неоднородностях или с отражением на резких продольных градиентах распределения ионосферной плазмы слоя F при различной степени возмущенности. Максимальная величина групповых задержек между модами на экспериментальных ионограммах НЗИ составляет 500 км, т.е. протяженность боковых трасс не более 1500км. Эта информация является основой для определения географических координат расположения крупномасштабных ионосферных неоднородностей, ответственных за появление боковых сигналов. На подготовительном этапе моделирования изучены следующие варианты образования нестандартных (боковых) путей распространения KB радиоволн в высокоширотной ионосфере: боковая рефракция радиоволны; отражение на резких продольных градиентах распределения ионосферной плазмы; ракурсное рассеяние KB радиоволн на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях. Проведенный анализ результатов численных расчетов показал, что для выполнения условий приема ракурсно-рассеянных боковых сигналов ионосферные неоднородности могут быть расположены в достаточно широкой пространственной области в основном к западу от трассы прямого распространения сигнала НЗИ. При расположении мелкомасштабных неоднородностей, ответственных за ракурсное рассеяние радиоволн, к востоку от прямой трассы НЗ резко снижается вероятность появления ракурсно-рассеянного бокового сигнала. 1. Рассмотрим ситуацию для экспериментальной ионограммы на рисунке 2.6d, которая получена в начале развития суббури и описывается моделью 5. На основе анализа данных ВЗ и радара CUTLASS дополнительно к медианной модели ионосферы на трассе распространения Мурманск - Санкт-Петербург для геофизических условий 25.10.2003 t 14 UT были подключены и учитывались в расчетах: а) спорадический слой Es; б) увеличение ионизации слоя F2 с одновременным понижением максимума слоя, характерные для предварительной фазы суббури [38]; в) наличие резких продольных градиентов ионосферы (ориентация градиентов вдоль долготы) в географической области около ((65-66)с. ш., (19-20)в. д.) за счет образования локализованной крупномасштабной ионосферной неоднородности в стороне от прямой трассы НЗИ. Для данной области выполняется условие равенства азимутальных углов падения и отражения радиосигнала от резких градиентов. Значение входного параметра численной модели ионосферы с учетом солнечной и магнитной активностей составил W3 = 50 для геофизических условий 25.10.2003 и времени t = 14 UT. В результате моделирования ионограмм НЗИ на трассе для указанных геофизических условий получены следующие механизмы распространения сигналов: моды 1F2 и lEs - распространение сигналов происходит вдоль дуги большого круга, а также 1F26OK - распространение имеет место с азимутальным отклонением при условии отражения на резких продольных градиентах ионосферной плазмы слоя F. Результаты расчетов синтезированной ионограммы представлены на рисунке 2.8а. Из него можно видеть удовлетворительное совпадение с экспериментальной ионограммои, показанной на рисунке 2.6d.
На рисунке 2.8Ь приведен пример моделирования ионограммы НЗИ для невозмущенных ионосферных условий, которые соответствуют экспериментальным измерениям НЗ 10.10.2003 в 13:48 UT (см рисунок 2.6е). В качестве входных параметров модели радиоканала были приняты: W = 70, Кр = 1, t = 14 UT. Можно видеть приемлемое соответствие между экспериментальной и расчетной ионограммами НЗИ. Согласно результатам вычислений распространение KB осуществлялось регулярными механизмами с отражением от ионосферных слоев Е и F2 модами 1F2, 2F2 и IE вдоль трассы НЗИ. Распространение радиоволны с боковым отклонением численно реализовано с учетом ракурсного рассеяния KB радиосигнала на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях с поперечными размерами 10 - 12 м (модель 1). Область с ионосферными неоднородностями расположена в стороне от трассы на расстоянии 100 — 150 км, на высоте слоя F2. Интересный результат был получен при моделировании ионограммы НЗИ на трассе Мурманск - Санкт-Петербург для геофизических условий, соответствующих 27.10.2003г., см рисунок 2.6с. Входные параметры модели были приняты: W = 130, Кр = 4, t = 01UT.
Краткие сведения о различных высокоширотных KB нагрсвных стендах
Некоторый рост значений доплеровского сдвига может быть вызван ионосферными неоднородностями, которые возникают в области каспа во время возмущений. И наконец, рост значений угла места перед моментом То может быть вызван стратификацией в ионосфере и градиентами в ней за счет дневного каспа или «главного эффекта». На трассе Мурманск - Санкт-Петербург для 24 октября (см. рисунок 3.3) F-отражения сигнала отсутствуют с 12:00UT и до конца дня. Зато возрастают значения EsMH4, обусловленные появлением интенсивных Es слоев во время суббури. За несколько часов перед моментом То значения F2MH4 растут относительно «спокойных» значений для 23 октября, что вызвано скорее всего «главным эффектом».
25 октября. В этот день имела место умеренная суббуря с 13:30 до 18:00 UT. а) NOAA: индекс Кр = 4 максимален с 12:00 до 15:00 UT. Протонный (Е 10 МэВ) и электронный потоки имеют небольшие максимумы в 14:00 UT (рисунок 3.1). б) CUTLASS: радар обнаруживает сначала совсем небольшой рост ионизации неоднородностей примерно в 06:00 UT (утро) в области каспа. Этот рост происходит за счет быстрых диффузных частиц, упреждающих примерно на 7 ч фронт ударной волны [17, 25, 68]. Последний и вызывает суббурю в момент То = 13:30 UT. Интенсивные неоднородности появляются в зоне полярных сияний (Фь = 60 - 65) с 14:00 до 18:00 UT. Эти неоднородности обязаны высыпанию частиц из входного слоя магнитосферы во время активной фазы суббури. в) Солнечные данные: из рисунка 3.26 видны 2 максимума для VCB В 07:00 UT и 13:00 UT. Первый (560 м/с) вызван упреждающими ударную волну высокоскоростными частицами [25]. Второй (610 м/с) — характеризует ударную волну, он и вызывает суббурю. г) IMAGE: с 04:00 до 13:00 UT магнитное поле спокойно. Мягкие частицы, высыпающиеся в каспе в 06:00 - 07:00 UT за счет быстрых диффузных частиц, не вызывают колебаний магнитного поля. Соответственно, с началом активной фазы суббури в 13:30 UT магнитное поле резко усиливается, достигая значения 250 нТл. д) Финская цепочка риометров: в течение дня поглощение А 1 дБ. Небольшой максимум имел место с 13:30 до 17:00 UT. е) Диназонд Тромсе: с 13:00 до 17:00 UT возникает перестройка в ионизации ионосферы — опустошение в области F и рост ее в области Е (и выше до 250 км) ж) Трассы: На трассе Кируна - Лонгиербьен данные отсутствуют по техническим причинам. Для трассы Кируна - Киркенес характерным является рост значений параметров сигнал/шум и доплеровского сдвига (см рисунок 3.4) во время суббури в окрестности момента То. Рост значений сигнал/шум вероятно вызван эпизодическими отражениями сигнала от интенсивных спорадических слоев Es, которые образуются во время суббури. Что касается роста значений доплеровского сдвига, то этот рост скорее всего вызван появлением неоднородностей за период суббури и вариациями параметров слоя F2 (см. ниже). Из рисунка 3.4 для 25 октября в районе То можно видеть также резкий рост значений угла места от 15 до 35. Этот рост обусловлен вариациями параметров слоя F2 в месте, где расположена точка отражения. Из данных ВЗ Тромсе [104], рисунок 3.5, для 25 октября в 13:05 и 13:47 UT, т. е. в начальный период суббури, Ne-профили имеют следующие параметры: foF2 = 5.2 МГц, h F = 270 км в 13:05 UT и foF2 = 4.4 МГц, h F = 400 км в 13:47 UT. Следовательно, имеет место спад значений foF2 и рост h F вблизи момента То в 13:45 UT - начала активной фазы суббури. Подобное поведение критической частоты и высоты слоя F2 должны вести к росту угла места на радиотрассе. На трассе Мурманск - Санкт-Петербург эффект суббури для 25 октября выражен в частичном непрохождении сигнала с 14:00 до 18:00 UT (интервал активной фазы суббури) и появлении интенсивных Es-отражений после моментов То и Те. Значения EsMH4 здесь выше, чем для спокойного дня 23 октября, но ниже, чем для возмущенного дня 24 октября. «Главный эффект» 25 октября отсутствует, поскольку предыдущий день был возмущенным и, следовательно, имеет место его последействие. Другой эффект суббури на трассе Мурманск — Санкт-Петербург проявился в том, что на ионограмме НЗИ в 13:48 UT было зафиксировано боковое отражение. Время 13:48 UT соответствует моменту То (начало активной фазы суббури). Распространение вне дуги большого круга (боковое) связано с высыпанием частиц и образованием неоднородностей и градиентов ионизации на широте 62 вблизи точки отражения трассы. Данные неоднородности были зафиксированы радаром CUTLASS.
26 октября. День характеризуется развитием возмущения в вечерние часы - сначала суббуря с То = 19:00 UT, затем общее возмущение до середины 27 октября. а) NOAA: индекс Кр растет к концу дня (рисунок 3.1). Рост протонного потока (Е МэВ) начался в 18:25 UT, достиг максимума в 23:35 UT и закончился в 19:10 UT 27 октября. Электронный поток нестабилен в рассматриваемом промежутке времени. Здесь имели место 2 длительные вспышки на Солнце. б) CUTLASS: радар зафиксировал область неоднородностей с 13:00 до 16:30 UT в районе дневного невозмущенного каспа на широте OL = 75 - 80. Эти неоднородности обязаны своим происхождением, скорее всего, высыпанию мягких частиц из области форшока, где сосредоточены быстрые диффузные частицы [17, 25, 68]. С 17:00 до 19:00 UT область неоднородностей смещается к югу в область аврорального овала. Вторая сильно возмущенная область неоднородностей возникает на широтах Фь = 67 - 73 в 21:00 UT и тоже с течением времени смещается к югу. Она вызвана приходом ударной волны. в) Солнечные данные: согласно рисунку 3.2в резкий рост скорости солнечного ветра VCB с 380 до 520 м/с имел место с 08:00 до 10:00 UT. Скорее всего, это есть поток высокоскоростных диффузных частиц в области форшока, упреждающих основную ударную волну на 8 ч. В 12:00 UT скорость солнечного ветра максимальна. С 12:00 до 18:00 UT наблюдается спад скорости от 540 до 460 м/с. Затем имел место приход ударной волны, скорость с 18:00 до 20:00 UT увеличилась с 460 до 550 м/с. Максимум скорости имел место в 20:00 UT. Эти вариации совпадают с данными CUTLASS радара. г) IMAGE: период с 04:00 до 19:00 UT характеризуется спокойными условиями, и вариации магнитного поля здесь очень малы. Это свидетельствует о том, что первый всплеск скорости солнечного ветра в 12:00 UT был вызван именно мягкими диффузными частицами из области форшока. Эти частицы не вызывают изменений магнитного поля. Сама суббуря и далее возмущение началась в 19:00 UT за счет второго максимума скорости солнечного ветра, обязанного ударной волне. Начиная с 19:00 UT происходят резкие вариации магнитного поля (до 300 нТл) от высоких до средних широт. д) Финская цепочка риометров: в дневные часы поглощение мало (менее 0,5 дБ). С 19:00 UT происходит рост поглощения на всех станциях до конца суток. Максимальные значения в предполуночные часы достигают А = 2 -3 дБ. е) Диназонд Тромсе: 26 октября с 10:00 до 16:00 UT отмечается рост ионизации в области F по сравнению с невозмущенным днем 23 октября. С 19:00 UT во время активной фазы суббури наблюдается уменьшение ионизации в F- и рост ее в Е- области, что является признаком суббури.
