ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 373-378
УДК 550.510.535,621.371
СРАВНЕНИЕ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ, ИЗМЕРЕННЫХ НА ИНСТРУМЕНТАХ РАДИОФИЗИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ИСЗФ СО РАН В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ
© 2007 г. К. Г. Ратовский, Б. Г. Шпынев, А. Г. Ким, А. В. Медведев, А. П. Потехин,
П. В. Петько, Д. С. Кушнарев
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск e-mail: ratovsky@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 20.07.2005 г. После доработки 05.06.2006 г.
Работа посвящена сравнению вариаций электронной концентрации, измеренных на радаре некогерентного рассеяния, дигизонде DPS-4 и ЛЧМ-ионозонде. Основные закономерности в расхождениях объясняются влиянием ионосферных неоднородностей различного масштаба. Значительные утренние градиенты электронной концентрации приводят к тому, что ионозонды дают завышенные значения по сравнению с радаром некогерентного рассеяния. Возмущения электронной концентрации, измеряемые различными инструментами, могут носить коррелированный и некоррелированный характеры. Некоррелированные возмущения объясняются интенсивными среднемасштабны-ми ионосферными неоднородностями. Коррелированные возмущения обусловлены крупномасштабными неоднородностями. Наблюдение таких возмущений может быть использовано для определения скорости и направления перемещения возмущения.
PACS: 94.20.Ji
1. ВВЕДЕНИЕ
Иркутский комплекс радиофизических инструментов ИСЗФ СО РАН, включающий в себя радар некогерентного рассеяния (НР) [Жеребцов и др., 2002], дигизонд DPS-4 ^е^Л et а1., 1997] и ЛЧМ-ионозонд [Вгупко et я!., 1988], позволяет проводить измерение электронной концентрации тремя независимыми близко расположенными радиофизическими инструментами. На рис. 1 показаны места расположения DPS-4, радара НР и радиотрасса ЛчМ-ионозонда. Дигизонд DPS-4 расположен непосредственно в Иркутске, ЛЧМ-передатчик - в месте расположения радара НР, ЛЧМ-приемник - в п. Торы, длина трассы -~120 км. Отклонение луча радара от вертикали составляет 16°, земная проекция луча радара и горизонтальные размеры диаграммы направленности на различных высотах приведены на рис. 1. Особенность Иркутского радара НР заключается в том, что высотный профиль электронной концентрации измеряется методом фарадеевских замираний ^рупеу, 2004]. Таким образом, радар НР позволяет проводить абсолютные измерения электронной концентрации без привлечения ионо-зонда, что дает уникальную возможность для сравнения электронной концентрации, измеряемой двумя независимыми методами.
Сопоставление данных всех трех инструментов было проведено для 1 ноября 2003 г., сравне-
ние данных радара НР и DPS-4 - для 9-12 ноября 2004 г. Этот период позволил провести сравнительный анализ в условиях различной геомагнитной возмущенности.
Высотное разрешение иркутского радара НР, обусловленное конечной длительностью излученного импульса, составляет 15 км для дневного времени (длительность импульса 100 мкс) и 30 км для ночного времени (длительность импульса 200 мкс). Большой размер (~100 км) диаграммы направленности радара в восточно-западном направлении и отклонение луча радара от вертикали при-
Рис. 1. Схема расположения инструментов.
водят к дополнительному усреднению по высоте на интервале ~15 км.
В работе [Бурмака и др., 2004] произведена аналитическая оценка относительной погрешности измерения электронной концентрации 5Ne методом HP. При отношении сигнал/шум q > 1 5Ne не превышает 1.5%. Поскольку для метода фарадеевских замираний [Shpynev, 2004] аналитическая оценка 5Ne сопряжена со значительными трудностями, связанными с нелинейной зависимостью мощности сигнала HP от значения электронной концентрации, оценка погрешности была осуществлена с помощью численного моделирования. Под отношением сигнал/шум подразумевалось отношение максимальной мощности сигнала HP к средней мощности шума. Поскольку при таком определении 5Ne зависит от высоты, дальнейшие результаты приведены для высотного диапазона ±50 км от высоты максимума. Моделирование показало, что при q > 1 5Ne не превышает 2%, что сопоставимо с результатами, полученными в работе [Бурмака и др., 2004]. Условие q > 1 выполнялось в дневное время 9 и 12 ноября 2004 г., а также 1 ноября 2003 г. В дневное время 10-11 ноября 2004 г. q менялось от 0.5 (5Ne < 5%) до 0.7 (5Ne < 3%).
Ионограммы обоих ионозондов были обработаны операторами с помощью интерактивного комплекса SAO-Explorer [Reinisch et al., 2004]. Восстановление профиля электронной концентрации по данным обоих ионозондов осуществлялось методом [Reinisch and Huang, 1983] с экстраполяцией выше высоты максимума методом [Reinisch and Huang, 2001]. Инструментальная погрешность измерения электронной концентрации ионозондами, обусловленная конечным шагом по частоте (0.07 МГц для DPS-4 и 0.05 МГц для ЛЧМ-ионозонда), составляет для дневного времени 1.5^3% для DPS-4 и 1^2% для ЛЧМ-ионозонда. Реальная погрешность измерения 5Ne для метода вертикального зондирования определяется множеством разнородных факторов: высотным разрешением ионозонда, значением q, методикой обработки ионограмм и восстановления профиля, наличием наклонных и рассеянных отражений, уровнем поглощения и влиянием экранировки сигналов Es-слоем. Априорная оценка 5Ne с учетом названных факторов не представляется возможной.
Сравнение данных всех трех инструментов осуществлялось раздельно для медленных и быстрых вариаций электронной концентрации. Разделение проводилось при помощи временной фильтрации. К медленным вариациям Ne(z, t) были отнесены колебания с периодом T > 4 ч, а к быстрым ANe(z, t) - колебания в диапазоне периодов 1 ч < T < < 4 ч. В дальнейшем считалось, что функция ANe(z, t) описывает регулярные (фоновые) вариации электронной концентрации, а ANe(z, t) соот-
ветствует возмущениям электронной концентрации [Медведев и др., 2005].
Регулярные возмущения исследовались на предмет систематических расхождений между данными, полученными методом вертикального зондирования и методом некогерентного рассеяния, в пренебрежении различным расположением инструментов. Сравнение возмущений электронной концентрации проводилось с целью исследования возможности получения дополнительной информации об ионосферных возмущениях за счет пространственного разнесения инструментов.
2. СРАВНЕНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
Сравнение регулярных вариаций электронной концентрации, наблюдаемых на различных инструментах, выявило два основных вида расхождений. Первый вид состоит в том, что ионозонды дают более высокие по сравнению с радаром НР значения электронной концентрации в утренние часы, когда наблюдается максимальная скорость нарастания электронной концентрации. Второе расхождение проявляется в остальное время суток, когда радар дает более высокие по сравнению с ионозондами значения Ыв на высотах ниже высоты максимума, т.е. толщина профиля, измеренного радаром НР, превышает толщину профиля, восстановленного из данных ионозондов. Оба случая расхождений демонстрируются на рис. 2, где показаны регулярные вариации электронной концентрации, измеренные 1 ноября 2003 г. радаром НР (сплошная линия), DPS-4 (штрих) и ЛЧМ-ионозондом (кружки).
Более высокие значения электронной концентрации, полученной дигизондом, по сравнению с данными радара наблюдались в утренние часы всех суток. Во всех случаях превышение было пропорционально скорости утреннего нарастания Ыв. В таблице для дней с умеренной геомагнитной возмущенностью показаны максимальные различия ANmax между максимумами электронной концентрации, измеренными ионозондом и радаром; местное время LT, соответствующее наблюдению максимального различия, и производная ANв/At, рассчитанная по часовому приращению максимального значения Ыв.
Такой вид различия между измерениями, полученными с помощью DPS-4 и радара НР, можно объяснить следующим образом. Высоким значениям ANв/At соответствует значительный пространственный градиент Ыв, который приводит к реализации регулярного наклонного отражения. Качественная интерпретация этой ситуации показана на рис. 3, где изображена наклонная траектория радиоволны и изолинии Ыв. Рис. 3 взят из сборника [Руководство..., 1977], где он служит
СРАВНЕНИЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
375
N6, 1011 м-3 16
12
8
4
0 16
12
8
4
0
16 18
18 LT
Рис. 2. Сравнение регулярных вариаций электронной концентрации. 1 ноября 2003 г. иТ = ЬТ - 7: Сплошные линии -радар НР; штриховые - БР8-4; точечные - ЛЧМ.
для иллюстрации отражений от наклонных слоев при возрастании электронной концентрации с расстоянием и постоянной высоте слоя. Из рис. 3 видно, что область отражения смещена относительно ионозонда в сторону возрастания Ыв. Реализации таких отражений приводят к тому, что ионозонд завышает значения электронной концентрации относительно вертикального профиля Ыв над ионозондом. Из рис. 2 видно, что в утренние часы значения ЛЧМ-ионозонда гораздо ближе к значениям БР8-4, чем к данным радара НР, т.е. при слабонаклонном зондировании также возможно отклонение траектории радиоволны в сторону нарастания электронной концентрации.
Разумеется, подобная интерпретация регулярных расхождений данных радара и ионозонда является гипотезой, для подтверждения (или опровержения) которой необходимо проведение численного моделирования. Следует отметить, что эффект расхождения наблюдается в утренние часы и не наблюдается вечером, когда пространственный градиент Ыв также достаточно велик. Причину различного влияния утреннего и вечернего терминаторов также должен выявить численный эксперимент.
Тот факт, что толщина профиля, измеренного радаром НР, превышает толщину профиля, вос-
становленного из данных ионозондов, может быть связан с несколькими причинами. С одной стороны, существует ряд факторов, которые приводят к высотному усреднению электронной концентрации при измерениях на радаре НР. К таким факторам относятся конечная длительность излученного импульса и большой размер (~100 км) луча радара в восточно-западном направлении наряду с отклонением луча радара от вертикали на 16°. С другой стороны, отсутствие на ионо-граммах отражений на
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.