КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, том 47, № 4, с. 291-299
УДК 537.87+621.371
СПОРАДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ И МЕЛКОМАСШТАБНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ НОЧНОЙ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОД СИЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПО ДАННЫМ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЯ НА ТРАССАХ СПУТНИК-СПУТНИК
© 2009 г. О. И. Яковлев, С. С. Матюгов, В. А. Ануфриев, Г. П. Черкунова
Институт радиотехники и электроники РАН, г. Москва oiy117@ire216.msk.su Поступила в редакцию 31.01.2008 г.
Представлены результаты анализа 327 сеансов радиопросвечивания на трассах спутник-спутник ночной полярной ионосферы в районах с широтами 67°-88° в период сильной солнечной активности с 26.X по 9.XI.2003 г. Приведены типичные ионосферные изменения амплитуды и фазы дециметровых радиоволн на трассах спутники GPS-спутник CHAMP и показано, что по этим данным можно определять характеристики спорадических Es образований нижней ионосферы на высотах 75-120 км. Даны гистограммы распределений нижней и верхней границ, толщины и интенсивности Es структур. Проанализированы дисперсия и спектры флуктуаций амплитуды дециметровых радиоволн, обусловленные мелкомасштабной неоднородностью ионосферной плазмы. Обсуждается связь полярных Es структур и интенсивности мелкомасштабной неоднородности плазмы с разными проявлениями солнечной активности. Показана эффективность мониторинга возмущений ионосферы под действием ударных волн солнечного ветра методом радиопросвечивания на трассах спутник-спутник.
PACS: 94.20. dk
ВВЕДЕНИЕ
Появление затменных трасс спутник-спутник позволило осуществлять многократные радиопросвечивания ионосферы в различных районах Земли. На первом этапе исследований предстояло выяснить какие ионосферные характеристики можно изучать таким методом и что нового этот метод может дать в дополнение к традиционным способам изучения ионосферы. В работах [1, 2] были приведены первые экспериментальные данные об ионосферных изменениях амплитуды, фазы и частоты при радиопросвечивании ионосферы на трассах спутник-спутник и показано, что этим методом можно получать высотные профили электронной концентрации N(h) для высот h = 90-160 км, если задать значение N на высоте h ~ 200 км. Сопоставление зависимостей N(h), полученных наземными средствами и методом радиопросвечивания, показало их хорошее соответствие [2, 3]. На таких затменных спутниковых трассах наблюдаются случайные флуктуации амплитуды и фазы радиоволн, обусловленные мелкомасштабной неоднородностью плазмы. Исследования флуктуаций сигналов позволило развить метод определения параметров мелкомасштабной неоднородности ионосферы [4, 5]. Кроме случайных флуктуаций радиоволн нерегулярно наблюдаются почти периодические колебания амплитуды и фазы сигналов, которые связы-
вают с волновыми явлениями в нижней ионосфере и стратосфере [6]. В работах [7, 8] отмечалось, что в экваториальных и среднеширотных районах на высотах 90-110 км наблюдаются характерные вариации амплитуды сигналов, свидетельствующие о влиянии тонких слоистых структур с большими градиентами электронной концентрации. В публикации [9] были представлены данные о Е, структурах в экваториальных районах, полученные методом радиопросвечивания на трассах спутник-спутник.
В данной статье анализируются особенности Е, структур и мелкомасштабной неоднородности плазмы в полярных районах в период с 26.Х по 9.Х1 2003 г. на который приходятся как дни рекордной интенсивности солнечной активности, так и периоды спокойного Солнца. Цель этой работы состоит в определении параметров спорадических Е, структур и мелкомасштабной неоднородности ионосферы и в оценке влияния солнечной активности на ночную полярную ионосферу. Под Е, структурами будем понимать спорадические ионосферные образования с увеличенной электронной концентрацией N и повышенным вертикальным градиентом dN/dh, расположенные на высотах 80-110 км.
A F2
D
F,
B
лась разность фазовых путей ф с использованием известного соотношения
/ VA / / / /
I I ■
ф = ф2 - ф1
f 1 f 2
40.4 ( f 2- f 2 )
J N( h ) dl =
9.5
1016 L
(1)
Рис. 1. К анализу влияния ионосферы на радиоволны.
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Мы использовали данные 327 сеансов радиопросвечивания полярной ионосферы с широтами ±(67°-88°) на трассах навигационные спутники GPS (излучатели радиоволн)-спутник CHAMP (приемник сигналов). Эти данные соответствовали следующим условиям в зондируемых районах: север-ночь (местное время LT с 20 до 8 часов), север -"день" (LT = 8-20 часов) и юг-ночь (LT с 20 до 8 часов). Выбор этих районов связан с тем, что в рассматриваемый период времени нижняя ионосфера там была не освещена и влияние ультрафиолетовой и рентгеновской компоненты было сильно ослаблено. Схема радиозатменных измерений показана на рис. 1. Трасса АВ характеризуется следующими параметрами: высоты спутников CHAMP и GPS равны соответственно АА1 = 470 км и ВВ1 = = 20000 км; трасса проходит через верхнюю и нижнюю части ионосферы, ее длина АВ ~ 28000 км. Из-за быстрого движения спутника CHAMP и медленного перемещения спутника GPS минимальная высота лучевой линии DD1 = Hu уменьшается от 130 км (начало измерений) до Ht ~ 30 км (конец анализа ионосферных эффектов). На рис. 1 нижняя область ионосферы, ограниченная высотами Hu и Hl, выделена затемнением. Вертикальная компонента скорости изменения минимальной высоты dH/dt в разных сеансах радиопросвечивания составляла от 1.3 до 2.5 км с-1. При радиопросвечивании ионосферы осуществлялась регистрация с частотой отсчетов 50 Гц амплитуды E в диапазоне fx = 1.5 ГГц и приращения фазового пути ф двух когерентных сигналов фх и ф2 соответственно в диапазонах fx = 1.5 ГГц и f2 = 1.2 ГГц. Первичная обработка экспериментальных данных включала нормирование E к уровню свободного распространения радиоволн, а по двухчастотным данным определя-
где I, - интегральная электронная концентрация в м-2, а И(Н) - высотный профиль электронной концентрации. Так определялось изменение интегральной электронной концентрации 1,(Н) на всей трассе АВ. Трудность наших исследований состояла в том, что в момент начала измерений, когда высота Ни ~ 130 км, значение ф было неизвестно, поэтому мы могли получать сведения только об изменении интегральной электронной концентрации. Интегральная электронная концентрация I, на трассе АВ состоит из двух слагаемых I, = 1и + I, 1и(Н) соответствует вкладу верхней части ионосферы, т.е. участкам трассы А^2 и В^1, для которых высота Н > 130 км, а 1(Н) обусловлено влиянием нижней ионосферы на линии где Н < 130 км (рис. 1). Следует различать минимальную высоту лучевой линии Н = 001 и высоту произвольной точки над поверхностью Земли - Н. Неизвестная составляющая влияния верхней части ионосферы 1и(Н, 0 зависит от минимальной высоты лучевой линии и, из-за нестационарности ионосферы, от времени. Для исключения неизвестного влияния "верхней" ионосферы 1и мы использовали предположение, что за короткий интервал времени регистрации сигналов А? = 50 с влияние "верхней" ионосферы может быть аппроксимировано линейной функцией 1и = 10 + аН. Анализ экспериментальных данных показал, что при изменении высоты Н от 70 до 30 км, когда влияние нижней ионосферы должно быть малым, экспериментальные зависимости 1и(Н) хорошо соответствуют такой линейной аппроксимации и что так можно найти коэффициент а для каждого сеанса радиопросвечивания ионосферы. Зависимость интегральной электронной концентрации нижней ионосферы от высоты для интервала высот Н = 70-120 км находилась как разность I = I,. - 1и, где 1и соответствует найденной линейной аппроксимации, распространенной на указанный интервал высот. Такое приближенное определение 1(Н) эквивалентно тому, что мы не учитываем неизвестную "фоновую" электронную концентрацию ЩН) ночной полярной ионосферы, а стремимся выделить только влияние спорадических Е, образований. Определение по такой методике зависимостей 1(Н) позволило выделить сеансы радиопросвечивания спокойной ионосферы, где 1(Н) мало и Е, структуры отсутствовали (158 сеансов) и эксперименты, где наблюдались явные зависимости 1(Н), что свидетельствует о присутствии Е,. образований (150 сеансов). В 19 сеансах радио-
/, TEC
30 -
20 -
10 -
E
1.5
1.0 1.5
1.5 1.0 1.5
1.5 1.0 1.5
1.5 1.0 1.5
70
80
90
100
110 H, км
70
80
90
100
110 H, км
Рис. 2. Типичные зависимости интегральной электронной концентрации I от высоты H.
Рис. 3. Характерные изменения амплитуды радиоволн, обусловленные влиянием Es образований.
просвечивания ионосфера была возмущена очень сильно, так что мы не могли определить коэффициент а и исключить влияние /и. Существенно, что в 66 сеансах радиопросвечивания одновременно наблюдались и яркие, характерные изменения и амплитуды E(H), и интегральной электронной концентрации /(Я).
Зарегистрированные в каждом сеансе радиопросвечивания ионосферы случайные флуктуации напряженности поля SE подвергались стандартной процедуре статистической обработки для получения среднеквадратического отклонения амплитуды а и частотных спектров флуктуаций амплитуды G(F) (F - частота флуктуаций). Необходимо отметить, что флуктуации SE обусловлены в основном неод-нородностями плазмы, расположенными в F области ионосферы на высотах h - 200-300 км [10, 11]. Для анализа флуктуаций SE использовались участки регистраций амплитуды, при H = 50-75 км. Для получения характеристик флуктуаций амплитуды мы использовали 277 сеансов радиопросвечива-
ния. Анализ флуктуаций ЪЕ на полярных трассах показал, что а подвержено вариациям с минимальными значениями ат1п - 1.5%, а максимальные уровни флуктуаций достигают 20%. Так как ат1п даже при низкой активности Солнца никогда не было меньше 1.5%, мы пришли к выводу, что такие значения ат|п обусловлены причинами, не связанными с влиянием ионосферы. Анализ изменений амплитуды сигнала показал, что, как правило, редкие события с очень большими значениями а обусловлены не статистическими неоднородно-стями ионосферы, а влиянием Еу структур, приводящим к регулярным, кратковременным сильным изменениям сигнала. Временные интервалы измерений, в которых наблюдались такие события исключались при ана
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.