УДК 533.951
ГЛОБАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОТЫ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 © 2015 г. В. Н. Шубин1, А. Т. Карпачев1, В. А. Телегин1, К. Г. Цыбуля2
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 2Институт прикладной геофизики (ИПГ), г. Москва e-mail: karp@izmiran.ru Поступила в редакцию 24.03.2015 г.
Построена глобальная модель SMF2 (Satellite Model of F2-layer) высоты слоя F2. Для этого использованы данные внешнего зондирования на спутнике Интеркосмос-19, а также данные радиоза-тменных измерений в экспериментах CHAMP, GRACE и COSMIC. Дополнительно использовались данные сети станций наземного зондирования. Модель охватывает все уровни солнечной активности, месяцы, часы местного и мирового времени, долготы и широты. Модель является медианной в диапазоне значений магнитной активности Кр < 3+. Пространственно-временное распределение hmF2 в новой модели описывается взаимно-ортогональными функциями, в качестве которых используются присоединенные полиномы Лежандра. Временное распределение описывается разложением в ряд Фурье по UT. Входными параметрами модели являются географические координаты, месяц и время (UT или LT). Новая модель хорошо согласуется с международной моделью ионосферы IRI там, где много наземных станций, и точнее отображает высоту слоя F2 там, где их нет, — над океанами и на экваторе. При низкой солнечной активности стандартное отклонение в модели SMF2 не превышает 14 км для всех часов суток против 26.6 км в модели IRI-2012. Среднее относительное отклонение в ~4 раза меньше, чем в модели IRI. При высокой солнечной активности максимальные стандартные отклонения в модели SMF2 достигают 25 км, однако в IRI они в ~2 раза больше. Среднее относительное отклонение в ~2 раза меньше, чем в модели IRI. Таким образом, построена модель hmF2, более точная по сравнению с IRI-2012.
DOI: 10.7868/S0016794015050156
1. ВВЕДЕНИЕ
Вариации высоты максимума /2-слоя hmF2 в глобальном масштабе наиболее адекватно описывает международная модель ионосферы IRI [Bilitza and Reinisch, 2008]. Последняя версия IRI-2012 представлена на сайте http://omniweb.gs-fc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html]. В модели IRI для вычисления hmF2 используется параметр M(3000)F 2, который представляет собой отношение максимально применимой частоты отражения радиоволны от слоя F2 при ее распространении на расстояние 3000 км к критической частоте F2 слоя foF2 [Rawer et al., 1978]. Для вычисления hmF2 используется формула [Bilitza et al., 1979; Dudeney, 1983], в которую входят также foF2 иfoE. Модель IRI была построена еще в 70-е годы и прекрасно зарекомендовала себя. Однако сеть наземных ионосферных станций, по данным которых построена IRI, редкая и не охватывает обширные акватории океанов. Отметим также, что определение hmF2 через параметр M(3000)F2 может быть связано с ошибками. Все это вызывает определенные вопросы к точности отображения hmF2 в модели IRI, поэтому неоднократно предпринимались попытки построения более точной модели.
Для построения более точной глобальной модели необходимо использовать спутниковые данные, которые охватывают весь земной шар. К ним относятся данные внешнего зондирования и данные радиозатменных наблюдений. Всего в ионосфере с 1962 г. функционировало 8 спутников с ионозондом на борту. Это канадско-американ-ские спутники Alouette 1 и 2, ISIS 1 и 2, японские ISS-b и EXOS-C, и советские Интеркосмос-19 (ИК-19) и Космос-1809. Данные спутников Alouette и ISIS были реставрированы в 1999 г. и сейчас представлены на сайте: http://nssdc.gs-fc.nasa.gov/space/isis/isis.status.html. Alouette и ISIS функционировали долгое время (с 1962 по 1983 г.), однако данные этих спутников принимались на наземных станциях, расположенных, по большей части, в Америке и Европе, и поэтому охватывают в основном северное полушарие, причем без Советского Союза. Попытка построения модели hmF2 по этим данным (с включением небольшого количества данных ИК-19) была предпринята в работе [Gulyaeva et al., 2008]. Однако из-за недостатка данных в южном полушарии модель была построена симметричной, т.е. фактически является моделью северного полушария.
В последнее время появилось новое мощное средство исследования ионосферы — радиоза-тменные наблюдения (см., например, [Hajj and Romans, 1998]). Этот метод позволяет с хорошим разрешением <10 км [Wu et al., 2009; Yue et al., 2010] измерять ^(й)-профиль в интервале высот 100—800 км и определять параметры максимума слоя F2. За последние 10 лет было получено огромное количество радиозатменных данных в спутниковых экспериментах CHAMP, GRACE и особенно COSMIC. Эти данные находятся в свободном доступе в Интернете и могут быть использованы для построения модели. В работе [Hoque and Jakowski, 2012] представлена глобальная модель hmF2 (NPHM), построенная по этим данным (~2900000 значений hmF2). Но в этой работе была поставлена специфическая задача — построить упрощенную модель для решения задач распространения радиоволн. Эта модель удобна для быстрых расчетов, но она не описывает, в частности, долготные вариации hmF2.
Основной проблемой при построении глобальной модели ионосферы является качество и количество данных, поскольку математические методы представления распределения ионосферных параметров были разработаны давно, в частности при создании модели IRI. В нашей предыдущей работе [Shubin et al., 2013] была построена глобальная медианная модель высоты слоя F2 для низкой солнечной активности. Для этого были использованы данные радиозатменных измерений (3200000 значений hmF2). При таком большом массиве данных их качество отступает на второй план, хотя вопросы точности радиоза-тменных данных достаточно детально исследовались в этой работе. Оказалось, что новая модель точнее отображает высоту слоя F2, чем международная модель ионосферы IRI. Однако проблема качества данных становится особенно важной на следующем этапе — построении модели hmF2 для высокой солнечной активности. Для этого используются в основном данные внешнего зондирования на спутнике ИК-19 (200000 значений hmF2), дополненные данными сети станций наземного ионосферного зондирования и частично данными CHAMP и COSMIC. Следовательно, на этом этапе мы имеем дело с четырьмя разными методами измерений hmF2 — радиозатменным методом, внешним зондированием, наземным зондированием с помощью современных диги-зондов, и расчетом hmF2 из параметра М(3000)/2. Поэтому основной акцент в данной работе сделан на проблемах обработки данных ИК-19 и сравнении с другими данными. Обсуждаются также зависимости hmF2 от солнечной и магнитной активности. Приводятся предварительные оценки точности новой модели для высокой солнечной активности в сравнении с моделью IRI.
2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
2.1. Зависимость hmF2 от магнитной и солнечной активности
При отборе данных по высоте слоя F2 необходимо знать характер зависимости hmF2 от магнитной и солнечной активности. Причины сильных изменений высоты слоя F2 известны — нейтральный ветер, скачки электрического поля и прохождение внутренних гравитационных волн (ВГВ). Во время геомагнитных возмущений они могут вызвать как положительные, так и отрицательные вариации hmF2. Отсюда в работе [Gulyaeva et al., 2008] был сделан вывод, что при использовании очень больших массивов данных можно не учитывать магнитную активность. Однако анализ данных ИК-19 показал, что уже при Кр = 4 высота слоя F2 на умеренно высоких и средних широтах обычно довольно сильно возрастает. Поэтому при построении новой модели данные по hmF2, полученные во время магнитной суббури и бури исключались, для чего использовался критерий Кр < 3+.
Вопрос зависимости hmF2 (NmF2) от солнечной активности много лет дискутируется в литературе. Он исследовался и по данным ИК-19 для летней дневной среднеширотной ионосферы [Бенькова и др., 1987]. Для низкой солнечной активности при этом использовались данные спутника Alouette 1. В разных долготных секторах зависимости оказались разные, они отличаются и коэффициентом линейной регрессии и наличием эффекта насыщения в некоторых секторах. Зависимость hmF2 (NmF2) от солнечной активности для среднеширотной ионосферы были исследованы также по данным радара и ионозонда в Millstone Hill [Lei et al., 2005]. Для околополуденных зимних условий четко проявился эффект насыщения. Поэтому вместо текущего индекса F10.7 был введен так называемый proxy индекс F 10.7p = = (F 10.7 + F 10.7A)/2, где F 10.7A - скользящее среднее за 81 день. Оказалось, что NmF2(hmF2) зависит от F 10.7p практически линейно. В среднеширотной и низкоширотной ионосфере аналогичные исследования были проведены по данным ионозондов [Wang et al., 2006; Liu et al., 2011] и радара Arecibo [Marques et al., 2010]. По данным ионозонда было показано, что NmF2 и hmF2 испытывают эффект насыщения при значениях F10.7 более 200 в дневное время летом и в период равноденствия, и не испытывают летней ночью и зимой. По данным радара было обнаружено, что насыщение hmF2 практически исчезает с применением индекса F10.7p. Таким образом, общим для всех работ является вывод о том, что эффект насыщения устраняется после введения индекса F10.7A или proxy индекса F10.7p. В новой модели для учета зависимости от солнечного излучения был выбран индекс F10.7A.
fp, МГц fp, МГц
Рис. 1. Слева: Ж(^)-профиль, полученный 27.01.2007 г. в 00:26 UT. Высота максимума, полученная после автоматической обработки, отмечена штриховой линией. После дополнительной обработки использовалась высота, отмеченная сплошной линией. Справа: профили, полученные на ст. Афины (38.0° N, 23.5° E) в 13:20 UT (15 LT) и на спутнике CHAMP (34.5° N, 25.9° E) 19.04.2002 г. в 13:36 UT. Высоты максимумов hmF2 = 319.2 км и hmF2 = 326.7 км соответственно.
2.2. Данные радиозатменных наблюдений
Как уже было сказано выше, для построения новой модели был использован огромный массив радиозатменных данных, полученных в экспериментах CHAMP (300000 ^е(^-профилей), GRACE (100000) и COSMIC (2800000). Спутник CHAMP проработал c апреля 2001 г. по август 2008 г., два спутника GRACE находились на орби
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.