УДК 550.388.2;551.310.535
ПРИЭКВАТОРИАЛЬНАЯ ИОНОСФЕРА: СОПОСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ МОДЕЛЕЙ IRI, NeQuick И РАДИОТОМОГРАФИИ © 2011 г. Е. С. Андреева, Б. А. Аношин, В. Е. Куницын, Е. А. Леонтьева
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва e-mail: kunitsyn77@mail.ru Поступила в редакцию 10.05.2011 г.
После доработки 27.06.2011 г.
Представлены результаты сравнительного анализа ионосферных моделей IRI-2001, NeQuick с радиотомографическими реконструкциями ионосферы в области северного гребня экваториальной аномалии (ЭА) между Manila и Shanghai (~850 сечений). Анализируются измеренные в радиотомографическом эксперименте значения относительного наклонного полного содержания электронов и его соответствующих значений, вычисленных по моделям IRI-2001 и NeQuick. Сопоставление модельных сечений с измерениями ионозондов показало, что наибольшее расхождение в значениях критических частот ионосферного слоя F2 наблюдается в области сильных пространственных градиентов в окрестности гребня ЭА. Обсуждаются особенности динамики гребня ЭА по модельным данным и результатам радиотомографии. Проведенные исследования показали, что модели IRI-2001, NeQuick описывают в среднем "фонтан-эффект", но не отражают устойчивые структурные особенности ЭА, которые наблюдались в реконструкциях, в частности, ориентацию сформировавшегося ядра ЭА вдоль силовых линий магнитного поля Земли после полудня. Предложен способ коррекции моделей IRI-2001, NeQuick в окрестности максимума гребня ЭА.
1. ВВЕДЕНИЕ
Экваториальная аномалия (ЭА), или аномалия Эпплтона является основной структурой приэкваториальной ионосферы, которая существенным образом влияет на работу систем радиосвязи, радионавигации, локации и т.д. Поэтому исследование структурных особенностей ЭА и физических причин, определяющих ее формирование, развитие и изменчивость, является одной из актуальных и фундаментальных проблем физики ионосферы. В основе механизма формирования ЭА лежит явление "фонтан-эффекта", которое заключается в следующем. В области геомагнитного экватора существующие геомагнитное поле (почти параллельное поверхности Земли) и восточно-западная компонента электрического поля вызывают дрейф заряженных частиц в поперечном обоим полям направлении. Возникает "фонтан—эффект", т.е. плазма поднимается вверх в экваториальной области и постепенно поворачивает по направлению на север в северном полушарии и на юг — в южном, что вызвано увеличением наклона геомагнитных силовых линий по обе стороны от геомагнитного экватора. В результате в приэкваториальной области по обе стороны от геомагнитного экватора на геомагнитных широтах 10—20° образуются максимумы (или гребни) электронной концентрации, т.е. северный и южный гребни ЭА [Арр1еЬп, 1946; Мойе«, 1979].
Лучевая радиотомография (РТ) открыла новые возможности в исследовании структуры и дина-
мики ЭА. Метод лучевой РТ ионосферы основан на регистрации и анализе радиосигналов двух когерентных частот 150 и 400 МГц навигационных российских спутников типа "Цикада" или американских Transit NNSS (Navy Navigation Satellite System) в нескольких приемных пунктах, расположенных на расстояниях порядка сотен километров друг от друга вдоль траектории восходящих или нисходящих витков орбит спутника. Орбиты таких спутников расположены на высотах 1000—1150 км, близки к полярным и имеют период обращения ~105 мин. Высокая скорость движения спутника (~7.9 км/с) позволяет пренебречь временными изменениями исследуемых ионосферных процессов за время пересечения спутником просвечиваемой области и рассматривать двумерную постановку задачи РТ Характерная длительность РТ-регистрации составляет 10—15 мин. Измерения приведенной фазы (т.е. разности фаз между радиосигналами 150 и 400 МГц, приведенной к одной частоте) в приемных точках являются исходными данными для томографической реконструкции двумерных сечений ионосферы в вертикальной плоскости над приемной цепочкой. При этом измеряемые значения обусловлены только вкладом ионосферы и пропорциональны интегралу от электронной концентрации вдоль лучей между приемником на Земле и передатчиком на спутнике, но с точностью до неизвестной начальной фазы. На этой основе ранее был разработан метод фазоразностной РТ, позволивший преодо-
леть основную трудность при решении задачи — неопределенность начальной фазы принимаемого радиосигнала. Типичное разрешение метода лучевой РТ составляет до 30—40 км по вертикали и до 20—30 км по горизонтали [Куницын, 2007; 2010].
В 1994—1996 гг. был проведен РТ-эксперимент в Юго-Восточной Азии по низкоширотной трассе Shanghai — Manila в области северного гребня ЭА. Шесть пунктов наблюдений регистрировали спутниковые радиосигналы американской навигационной системы NNSS и были расположены вдоль 121° Е меридиана с координатами: Shanghai (31.3° N), Wenzhou (27.95° N), Chungli (24.95° N), Kaoshiung (22.5° N), Baguio (16.4° N), Manila (14.6° N). Проведенные совместно с коллегами из университета Иллинойса (США) исследования на базе фазоразностной РТ позволили выявить и изучить ряд новых структурных особенностей и динамику ЭА [Andreeva et al., 2000; Yeh et al., 2001; Franke et al., 2003].
Во многих случаях для получения необходимой (или недостающей) информации об ионосфере используются глобальные эмпирические ионосферные модели IRI (International Reference Ionosphere) и NeQuick, в частности, в области приэкваториальных широт. Цель данной работы — проведение сравнительного анализа данных моделей IRI-2001 и NeQuick с полученными ранее результатами РТ-исследований северного гребня ЭА ионосферы по низкоширотной трассе Manila — Shanghai, а также разработка метода коррекции модельных данных в окрестности максимума гребня ЭА. Результаты сравнительного анализа представляют интерес как для развития и совершенствования ионосферных моделей, так и для многих радиофизических и геофизических приложений.
2. ГЛОБАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ
ИОНОСФЕРЫ IRI, NeQuick
В настоящее время наиболее разработанной и динамично развивающейся является модель IRI (International Reference Ionosphere). Модель IRI относится к эмпирическим моделям ионосферы, непрерывно совершенствуется, и существуют ее последовательные версии, начиная с 1969 г. Основными источниками данных, которые используются в данной модели, являются: всемирная сеть ионозондов, спутниковые и ракетные измерения, а также данные радаров некогерентного рассеяния. Модель IRI позволяет вычислять профили электронной концентрации (в диапазоне высот от 50 до 2000 км), полное электронное содержание (ПЭС), температуры электронов, ионов, нейтралов и т.д. в зависимости от времени и координат [Bilitza, 2003]. Начиная с версии IRI-2001, для периодов геомагнитных бурь в модель введен коэффициент коррекции для критических частот
foF2, величина которого зависит от индексов геомагнитной возмущенности. Полная информация о модели постоянно обновляется и распространяется по сети Интернет. Домашняя страница IRI расположена на сайте: http://iri.gsfc.nasa.gov/. Пакет программ доступен по адресу ftp://nssdcftp.gsfc. nasa.gov/models/ionospheric/iri/.
Модель NeQuick — эмпирическая модель ионосферы, которая предназначена, в первую очередь, для вычисления ПЭС вдоль луча от навигационного спутника до пункта наблюдения. В модели NeQuick используются данные глобальной сети ионозондов, а также индексы солнечной активности (например, число солнечных пятен). Модель NeQuick позволяет получать профили электронной концентрации до высот 20 000 км в зависимости от времени и географических координат [Coïsson et al., 2008a]. Модельные расчеты можно проводить в интерактивном режиме на сайте http://arpl.ictp.trieste.it/nq/.
В ряде работ проводились сопоставления модельных данных с результатами ионозондовых измерений. Например, в работах [Abdu et al., 2006; Adeniyi et al., 2007; Dumin, 2007; Chuo and Lee, 2008; Gulyaeva et al., 2008] представлены результаты сравнительного анализа данных модели IRI c измерениями низкоширотных ионозондов по значениям критических частот foF2, максимума электронной концентрации NmF2 и высоты максимума hmF2 F-области ионосферы. В целом модель хорошо описывает годовые, сезонные и суточные вариации. Наибольшие расхождения модельных данных с экспериментальными результатами наблюдаются в зимние и осенние периоды при низкой солнечной активности. В вечерние часы модельные значенияfoF2 и hmF2 занижены относительно данных ионозондов, днем — завышены. Расхождения между модельными значениями критических частот foF2 и данными foF2 ионозондов могут достигать 17% днем и варьируются от 5 до 80% в ночные часы, погрешности в определении высоты максимума hmF2 по модельным данным составляют 25% ночью и 20% днем.
Исследования низкоширотной ионосферы и соответствующий анализ данных модели IRI проводились по данным спутниковых измерений (GPS, Topex/Poseidon, EXOS-C, EXOS-D, DMSP F15, KOMPSAT-1, ISIS 1, ISIS 2, Intercosmos-19, Cosmos-1809, CHAMP, ISS-b) [Карпачев, 1988; Деминов и др., 1998; Деминова, 2003; Karpachev et al., 2003; Ezquer et al., 2004; Jee et al., 2005; Kim et al., 2006; Liu et al., 2007; Bhuyan and Borah, 2007; Astafyeva et al., 2008]. Сопоставления модельных и экспериментальных данных проводились по вертикальному ПЭС (Vertical Total Electron Content — VTEC), по значениям критических частот foF2 и электронной концентрации N. Результаты исследований показали, что модель IRI адекватно опи-
сывает суточные и сезонные вариации при спокойных геомагнитных условиях, хотя модельные вариации выражены слабее экспериментальных. Однако модель IRI существенно хуже воспроизводит годовые вариации. В ночные и утренние часы модельные значения вертикального ПЭС значительно выше экспериментальных. Наилучшее согласование между модельными и экспериментальными данными наблюдается в диапазоне широт от 18 до 31° в интервале времени с 8:00 до 22:00 LT
В работах [Coïsson et al., 2002; Coïsson et al., 2006, Coïsson et al., 2008b] представлены результаты верификации модели NeQuick в приэкваториальных широтах по данным спутников Topex/Poseidon, ISIS-2, Intercosmos-19, CHAMP, GPS. Сравнительный анали
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.