ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 364-372
УДК 550.388
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ СИГНАЛАМИ СРЕДНЕШИРОТНОГО
КОГЕРЕНТНОГО ЭХА
© 2007 г. Н. А. Золотухина, О. И. Бернгардт, Б. Г. Шпынев
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск e-mail: zolot@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 07.03.2006 г. После доработки 30.06.2006 г.
Представлены результаты анализа данных наблюдений среднеширотного когерентного эха, зарегистрированного Иркутским радаром некогерентного рассеяния в течение 53 наблюдательных сеансов. Наблюдения имеют общую продолжительность 4358 ч и проводились с января 1998 г. по январь 2005 г. Выявленные в процессе анализа эхо-сигналы разделены по мощности на две группы: сильные (s) и слабые (w) эха. Обнаружено, что эхо-сигналы, обладающие характеристиками когерентного эха, наблюдаются во все часы местного времени и при разном уровне геомагнитной активности. Вероятность появления s-эха минимальна в околополуденные часы и максимальна в после-полуночно-утренние часы. Показано, что наиболее продолжительные и мощные когерентные эха наблюдаются в средних широтах во время сильных магнитных бурь при повышенном динамическом давлении солнечного ветра.
PACS: 94.30.Gm; 94.30.Tz
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что когерентное эхо (радиоаврора) возникает в результате рассеяния радиоволн на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях E-слоя ионосферы, формирующихся в областях аврорального и экваториального электроджетов. Рост геомагнитной активности приводит к смещению авроральных явлений в сторону экватора [Фельдштейн и др., 2000; Старков и др., 2003; Hut-tunen et al., 2002], и отражения типа эха, приходящие со стороны авроральной зоны, могут быть зарегистрированы радарами, расположенными в средних и низких широтах. Возможность существования таких событий показана в работах [Афраймович и др., 2001; Бернгардт и др., 2004]. В этих работах представлены рассеянные сигналы, зарегистрированные Иркутским радаром некогерентного рассеяния (РНР; 53°N, 104°E; исправленные геомагнитные координаты наблюдательного пункта ф' = 48°, X' = 177°), относящиеся по морфологическим признакам (сильной ракурсной зависимости, узким спектрам и высокой мощности рассеянного сигнала) к когерентному эху [Haldoupis, 1989].
Отметим, что ракурсная чувствительность радиоэха колеблется от нескольких градусов до десятка градусов около перпендикуляра к геомагнитному полю для различных типов эха [Haldoupis, 1989; Foster et al., 1992]. Поэтому в поле зрения РНР попадают только рассеянные сигналы, приходящие с дальностей 450-1150 км, то
есть из области E-слоя ионосферы, расположенной на ф' = 52°-58°. При этом наилучшие ракурсные условия выполняются для двух дальностей -550 км и1100 км, что отчетливо проявляется в экспериментальных данных.
Целью данной работы является исследование особенностей аврорального эха, возникающего в указанном диапазоне широт, основанное на данных Иркутского PHP. Мы рассматриваем зависимость частоты появления, продолжительности и мощности отраженного сигнала от времени суток и интенсивности кольцевого тока, а также пытаемся определить внемагнитосферные причины, приводящие к появлению когерентного эха в средних широтах.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
В работе использованы данные по рассеянию радиосигналов, полученные PHP в период с января 1998 г. по январь 2005 г. В указанный период проведено 53 сеанса наблюдений, перечисленных в таблице, в которых проводилась цифровая регистрация рассеянных сигналов. В таблице указаны:
1. Номер сеанса (Ns). Звездочкой отмечены наблюдения, включающие периоды сильных магнитных бурь (Dst < -100 нТл).
2. Дата и время (UT) начала сеанса.
3. Длительность сеанса (часы).
4. Число часов, в течение которых проводились наблюдения (от 3 до 250 ч).
Перечень сеансов наблюдений, проведенных на Иркутском радаре некогерентного рассеяния в период с января 1998 г. по январь 2005 г. и некоторые характеристики экспериментальных данных (см. пояснения в тексте)
1 2 3 4 5 6
1 Январь 20, 1998; 17:50 24 24 24 0
2 Март 23, 1998; 16:02 96 96 93 0
3 Апрель 27, 1998; 11:03 62 62 57 5
4 Июнь 23, 1998; 15:04 24 24 23 0
5 Август 18, 1998; 11:08 29 29 29 0
6* Сентябрь 21, 1998; 15:53 110 108 103 23
7 Декабрь 8, 1998; 09:29 38 38 35 9
8 Январь 17, 1999; 20:12 19 18 4 0
9 Февраль 9, 1999; 10:52 78 78 63 12
10 Апрель 19, 1999; 14:41 83 83 67 2
11 Сентябрь 14, 1999; 15:37 81 80 72 9
12 Декабрь 9, 1999; 16:06 24 24 23 13
13 Март 14, 2000; 16:06 80 79 78 20
14 Май 11, 2000; 07:07 64 64 0 0
15* Июль 13, 2000; 10:21 87 86 83 39
16 Сентябрь 21, 2000; 15:32 162 154 125 61
17 Октябрь 25, 2000; 03:26 59 58 22 2
18 Декабрь 11, 2000; 10:52 53 50 32 1
19 Февраль 13, 2001; 09:19 56 56 49 2
20* Апрель 12, 2001; 09:00 139 86 72 5
21 Июнь 28, 2001; 05:37 48 14 12 1
22 Сентябрь 10, 2001; 15:34 97 94 66 5
23 Октябрь 10, 2001; 02:03 46 45 33 3
24 Октябрь 16, 2001; 10:12 62 62 42 0
25 Ноябрь 13, 2001; 12:24 52 52 39 4
26 Декабрь 3, 2001; 17:32 3 3 0 0
27 Декабрь 10, 2001; 10:35 40 40 15 14
28 Декабрь 17, 2001; 11:54 110 109 39 0
29 Январь 14, 2002; 13:33 107 107 40 0
30 Февраль 11, 2002; 09:03 40 37 9 0
31 Март 20, 2002; 11:26 78 78 47 0
32 Апрель 2, 2002; 06:48 233 208 152 6
33* Апрель 16, 2002; 05:32 118 116 113 25
34* Май 21, 2002; 12:54 64 47 43 6
35 Июнь 11, 2002; 08:05 36 36 35 0
36 Июль 23, 2002; 19:23 20 20 17 1
37 Июль 25, 2002; 15:02 11 11 10 0
38* Сентябрь 30, 2002; 08:41 254 250 245 36
39 Ноябрь 4, 2002; 06:33 22 17 14 3
40 Декабрь 2, 2002; 10:10 150 147 140 10
41 Январь 28, 2003; 11:52 173 173 166 9
42 Март 18, 2003; 13:45 230 216 212 19
43* Май 27, 2003; 10:53 67 66 64 15
44 Октябрь 19, 2003; 23:18 169 152 140 23
45* Октябрь 29, 2003; 01:53 208 154 136 37
46 Февраль 24, 2004; 22:08 29 25 19 6
47 Март 28, 2004; 22:34 109 109 109 3
48 Апрель 17, 2004; 22:36 136 136 132 24
49 Июнь 14, 2004; 23:39 114 114 108 51
50 Сентябрь 17, 2004; 08:17 165 164 148 2
51* Ноябрь 8, 2004; 14:11 106 98 96 39
52 Декабрь 7, 2004; 00:03 74 74 73 20
53 Январь 17, 2005; 10:37 104 87 87 15
5. Число часов, в которых были зарегистрированы когерентные эха (от 0 до 245).
Для оценки мощности отраженного сигнала введена величина = (Е - Е№)/(Е250-350 - Ем). Здесь Еы - мощность шумовой составляющей сигнала, Е - мощность рассеянного сигнала на заданной дальности, Е250-350 - максимальная мощность рассеянного сигнала в диапазоне дальностей 250-350 км, соответствующая мощности смеси некогерентно-рассеянного сигнала с шумом в максимуме электронной концентрации.
Зарегистрированные когерентные эха разделены по значениям We на две группы. Это сильные (5) эха с We > 1 и слабые (м>) эха с We < 1. Число часов, в которых были зарегистрированы сильные когерентные эха (от 0 до 61), указано в последней, 6-й колонке таблицы. С учетом теоретической диаграммы направленности антенны величина We может быть пересчитана в относительное, составляющее приблизительно 1011 х Же, и в абсолютное, зависящее от рассчитанной по (Е250-350 - Ем) электронной концентрации, значения сечения рассеяния. Учет диаграммы направленности необходим, поскольку сигналы когерентного эха и некогерентно-рассеянные сигналы принимаются с различных направлений и, следовательно, с различными коэффициентами усиления.
Принятый сигнал является суперпозицией сигналов, которые можно разделить на четыре следующих типа: когерентное эхо, некогерентно-рассеянный сигнал, ионосферный шум и сигналы, отраженные от различных отражающих объектов искусственного и естественного происхождения, присутствующих на ионосферных высотах.
В настоящее время существуют лишь качественные алгоритмы разделения сигналов и большинство методов основано на спектральном анализе. Однако данные Иркутского радара содержат, в основном, лишь информацию о пространственно-временной зависимости мощности сигнала в доступном диапазоне дальностей, и для применения спектральных методов данных зачастую недостаточно. Поэтому, наряду с введением относительной мощности, проводился качественный анализ присутствия когерентного эха, использующий отличия в свойствах сигналов разных типов.
Для выделения сигналов когерентного эха из исходных данных использовались следующие свойства рассеянных сигналов:
- Однородность шума по дальности. Из данных до обработки проводилось вычитание минимального сигнала, соответствующего однородной шумовой подкладке. Поскольку временная зависимость шума определяется многими неконтролируемыми в настоящее время параметрами -например, расположением звездных источников и состоянием приемно-передающей аппаратуры,
то усреднение шума, вносящее неконтролируемую ошибку, не проводилось.
- Достаточная протяженность когерентного эха. Из данных отбрасывались значения We, если сигналы существовали менее 40 с. Это исключало влияние отражений от точечных рассеивателей искусственного и естественного происхождения, поскольку время прохода указанных объектов через диаграмму направленности антенны с типичными для них скоростями обычно не превышает 5 с.
- Качественное соответствие когерентного эха теоретическим моделям. В соответствии с теоретическими моделями магнитного поля и диаграммы рассеяния, мощность когерентного эха на дальности порядка 750 км не должна превышать 0.5 мощности рассеянного сигнала в области дальностей 1100 км или 550 км. В случае, если такое превышение наблюдалось, предполагалось, что эти данные неизвестного происхождения, и когерентное эхо считалось отсутствующим.
Выделенные таким образом сигналы обладают характеристиками, близкими к характеристикам сигналов когерентного эха, хотя, возможно, имеют иногда другую природу.
Однако, по полученным на иркутском РНР экспериментальным данным, они практически неотличимы от сигналов когерентного эха, поэтому далее мы будем называть их сигналами когерентного эха.
Общее число часов наблюдений равно 4358. Число измерений в часе (nobs) меняется от 1 до 60. В дальнейшем часы с nobs < 10 (таких часов 207) не рассматриваются. Когерентное эхо зарегистрировано в 3591 из 4151 часовых интервалов (часов), т.е.
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.