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.