научная статья по теме ЭФФЕКТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СИГНАЛОВ НА КВ РАДИОТРАССАХ ВБЛИЗИ ОБСЕРВАТОРИИ СОДАНКЮЛЯ (ФИНЛЯНДИЯ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СИГНАЛОВ НА КВ РАДИОТРАССАХ ВБЛИЗИ ОБСЕРВАТОРИИ СОДАНКЮЛЯ (ФИНЛЯНДИЯ)»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 333-342

УДК 550.388.2

ЭФФЕКТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ СИГНАЛОВ НА КВ РАДИОТРАССАХ ВБЛИЗИ ОБСЕРВАТОРИИ СОДАНКЮЛЯ (ФИНЛЯНДИЯ)

© 2015 г. Д. В. Благовещенский

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,

г. Санкт-Петербург e-mail: donatbl@mail.ru Поступила в редакцию 09.12.2014 г.

После доработки 09.01.2015 г.

Исследования проводились на трех трассах наклонного зондирования ионосферы (НЗИ): Горьковская (Санкт-Петербург)-Ловозеро длиной 890 км, Соданкюля—Горьковская длиной 800 км и Соданкюля-Ло-возеро длиной 360 км. Проанализированы данные за 17 марта и 14 апреля 2012 г. — дни на фазе восстановления соответствующих магнитных бурь. По наблюдениям, проведенным на обс. Соданкюля, для первого дня в утренне-дневные часы имело место высокое поглощение по риометрическим данным на фоне очень слабых магнитных возмущений, зафиксированных магнитометром; для второго дня характерным также был высокий уровень поглощения, но во время существенного магнитного возмущения. Приведено сопоставление структуры мод распространения сигналов и их интенсивности на разных трассах для указанных дней. Главные полученные результаты следующие. При слабых магнитных возмущениях в один и тот же момент времени модовая структура сигналов НЗИ при слабом (для 14 апреля 2012 г.) и сильном (для 17 марта 2012 г.) поглощении существенно отличалась. На первых двух трассах во время магнитного возмущения ночью 14 апреля 2012 г. наблюдалась диффузность в отражениях от /2-слоя, тогда как на этих же трассах при спокойных магнитных условиях утром и днем 17 марта 2012 г. диффузность отсутствовала. За полчаса до существенного всплеска поглощения на первой трассе отмечался кратковременный резкий рост значений максимальной наблюдаемой частоты слоя Es (MH4Es) на 30—80%. Для 17 марта 2012 г. и 14 апреля 2012 г., во время максимума поглощения А = 6 дБ по данным обс. Соданкюля, на ионограммах НЗИ отражения сигналов наблюдались от спорадического Es-слоя только на первой трассе, причем характеристики сигналов в эти дни отличались.

DOI: 10.7868/S0016794015030037

1. ВВЕДЕНИЕ

Необходимо отметить, что обс. Соданкюля (геомагнитная широта 64.2° N) расположена в высоких широтах, поэтому все дальнейшие рассуждения и выводы будут относиться именно к этим широтам.

Известно, что метод измерения поглощения космического радиоизлучения с помощью рио-метра (relative ionospheric opacity meter) является достаточно эффективным при исследовании процессов ионизации в нижней ионосфере высоких широт [Browne et al., 1995; Detrick and Rosenburg, 1990; Little and Leinbach, 1959; Дриацкий, 1974]. Космический радиошум проходит через ионосферу, и часть энергии поглощается из-за столкновений свободных ионосферных электронов с нейтральными атмосферными атомами. В рио-метрах используют эффект поглощения космического радиошума ионосферой для измерения роста электронной концентрации в .D-области, вызванного высыпаниями энергичных электронов. Обычно поглощение имеет пик возле высоты 90 км, где произведение электронной плотности и частоты столкновений с нейтралами максимально [Wild et al., 2010]. В нижней ионосфере высоких широт существуют два основных вида аномальной ионизации и связанных с ней два вида ано-

мального поглощения космического радиоизлучения: авроральное поглощение и поглощение типа полярной шапки. Здесь, согласно геометрии экспериментальных радиотрасс НЗИ, будет рассматриваться только авроральное поглощение (auroral absorbtion — АА). Оно возникает вследствие вторжения потоков электронов с энергией более 30 кэВ из плазменного слоя хвоста магнитосферы в нижнюю ионосферу высоких широт [Collis et al., 1984; Clilverd et al., 2008; Ka-vanagh et al., 2012]. Авроральное поглощение, в отличие от полярных сияний, наблюдается в кольцевой зоне. Максимум появления АА независимо от времени суток находится на геомагнитной широте ~67°. С ростом уровня геомагнитной возмущенности зона АА смещается в экваториальном направлении на несколько градусов [Ka-vanagh et al., 2004]. В течение суток авроральное поглощение появляется с различной вероятностью. Отмечаются два четко выраженных максимума: первый в околополуночное время и второй — в предполуден-ное время (10—11 ч местного геомагнитного времени (МГВ)). Отчетливый минимум наблюдается вечером около 19-20 ч МГВ [Дриацкий, 1974].

Ночное время в высоких широтах, как известно, часто характеризуется заметным изменением

80

70

60

ЛОЗ

50

Рис. 1. Схема расположения радиотрасс наклонного зондирования ионосферы. СОД — Соданкюля, ЛОЗ — Ловозеро, ГРК — Горьковская (возле Санкт- Петербурга). 1 — область максимума поглощения; 2 — область существенного поглощения.

магнитного поля (суббуря/буря). Утренне-днев-ное время не сопровождается вариациями магнитного поля. Существует интересная особенность в поведении поглощения: оно сопровождается отрицательными магнитными бухтами с 20 до 08 ч МГВ, положительными бухтами — с 14 до 23 ч. С 05 до 20 ч поглощение сопровождается спокойным магнитным полем или слабыми его вариациями или пульсациями. Дневное и ночное поглощение совпадают с отмеченными выше максимумами, вечернее — с минимумом.

Представляет интерес выявить отличительные особенности поглощения и его влияния на амплитуду сигналов при распространении радиоволн на трассах в различное время суток в соответствии со сказанным выше. Результаты подобных уже выполненных исследований автору данной работы не известны. Другим важным обстоятельством, связанным с затуханием сигналов на радиотрассах, является то, что при расчетах лучевых траекторий (ray tracing) поглощение радиоволн, как правило, не учитывается в силу крайней сложности правильно выполнить подобный расчет. Более того, такого рода расчеты для трасс в высоких широтах, где геофизическая обстановка непрерывно меняется [Благовещенский, 2011], представляются неоправданными. Поэтому здесь следовало бы опираться на экспериментальные результаты анализа распространения радиоволн в различных условиях.

Основная цель данной работы — сравнить характер распространения мод НЗИ во время периодов существенного риометрического поглощения по наблюдениям обс. Соданкюля на различных радиотрассах, проходящих вблизи нее, в ночное (магнитовозмущенное) и утренне-днев-ное (магнитоспокойное) время. Анализ проведен конкретно для двух дней: 17 марта и 14 апреля 2012 г. Эти дни характеризовались значительными уровнями поглощения, близкими по амплитуде.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

На рисунке 1 представлена схема расположения трех радиотрасс НЗИ. Их конечные пункты имеют следующие координаты (геомагнитные и географические соответственно): Соданкюля (64.2° N 107.9° Е; 67.4° N 26.6° Е), Ловозеро (64.7° N 114.6° Е; 68.0° N 35.0° Е) и Горьковская (56.6° N 107.6° Е; 60.0° N 30.7° Е). Исходя из указанных координат, первая трасса Горьков-ская—Ловозеро (ГРК—ЛОЗ) длиной Д = 890 км и вторая трасса Соданкюля—Горьковская (СОД—ГРК) длиной Д = 800 км являются субавроральными. Третья трасса Соданкюля—Ловозеро (СОД—ЛОЗ) длиной Д = 360 км относится к классу аврораль-ных. Первые две трассы имеют почти долготное направление, третья — близкое к широтному. На каждой из трасс производилось наклонное зондирование ионосферы (НЗИ) в диапазоне частот от 02 до 30 МГц, в результате чего снимались ионограммы НЗИ. Сеансы выполнялись через каждые 15 мин, т.е. четыре раза в 1 ч. Сигналы передатчика обс. Соданкюля принимались в пунктах Горьковская и Ловозеро в первую, шестнадцатую, тридцать первую и сорок шестую минуты каждого часа. Сигналы Горьковской принимались в Ловозеро в третью, восемнадцатую, тридцать третью и сорок восьмую минуты каждого часа. Здесь и далее первый пункт в названии трассы обозначает передатчик. В данном исследовании интерес представлял следующий набор характеристик распространяющихся сигналов: значения МНЧЕя, МНЧ/2 и МНЧ2Т2, а также интенсивность сигнала при отражении его от спорадического слоя Ея, от слоя /2 и при двойном отражении сигнала от слоя /2 соответственно. Интенсивность сигнала определялась визуально на ионограммах согласно трем градациям — сигнал слабый, средний и сильный. Пример ионограммы НЗИ для 14:03 иТ на трассе ГРК—ЛОЗ представлен на рис. 2а. Эта ионо-грамма содержит все три указанные выше моды. Что касается амплитуды сигналов, то здесь уровень поглощения по данным риометра в обс. Соданкюля в рассматриваемый момент составлял 1 дБ и соответственно сигнал моды /2 — сильный, а мод 2/2 и Ея — слабый (см. ниже).

В эксперименте также использовались данные обс. Соданкюля по вертикальному зондированию (ВЗ), магнитные данные (Х-компонента магнитного поля) и данные риометра (/ = 30 МГц).

Т, мс

5 -

МНЧ/2

МНЧ/2

МНЧ&

ГРК-ЛОЗ 17.03.2012 г. 14:03 иТС

ГРК-ЛОЗ 17.03.2012 г. 07:33 иТС

3 -

ГРК-ЛОЗ 14.04.2012 г. 03:03 иТС

10

15

/, МГц

Рис. 2. Реальные ионограммы наклонного зондирования ионосферы на радиотрассе Горьковская—Ловозеро: а 17 марта 2012 г., 14:03 ЦТ; б - для 17 марта 2012 г., 07:33 ЦТ; в - для 14 апреля 2012 г., 03:03 ЦТ.

для

Примеры подобных данных представлены на рис. 3 и 4. Согласно рис. 3 для 17 марта 2012 г. резкий рост поглощения начался в 04:30 ЦТ, что привело к срыву отражений ВЗ от ионосферы начиная с 05:00 ЦТ и далее. При этом магнитное поле в утренне-дневное время в интервале с 02:00 до 16:00 ЦТ изменялось незначительно (в пределах ±50 нТл), что можно рассматривать как слабовозмущенный геомагнитный фон. Из рисунка 4 для 14 апреля 2012 г. следует, что срыв отражений ВЗ имел место ночью с 03:00 до 04:00 ЦТ во время резкого роста поглощения. Данный скачок поглощения произошел во время отрицательной бухты магнитного возмущения с амплитудой Х =

= -190 нТл, которое можно отнести к интенсивным. Дополнительно для оценки степени геомагнитной активности использовался ^-индекс, см. рисунки 3 и 4. Отметим, что перед рассматриваемыми событиями 14 апреля и 17 марта 2012 г. первая буря, начавшаяся 12 апреля 2012 г., попадает в разряд слабых (Ду?т1п = -45 нТл, Кртах = 5, АЕтах = 900 нТл), а начавшаяся 15 марта 2012 г. вторая - в разряд умеренных (Р^?т1п =

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком