УДК 550.338.2
ДИФФУЗНЫЕ СТРУКТУРЫ ТИПА "ЖЕМЧУЖИН" НА ИОНОГРАММАХ ИСЗ "ИНТЕРКОСМОС-19", СВЯЗАННЫЕ С НЕОДНОРОДНОСТЯМИ
НИЗКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2014 г. А. Т. Карпачев1, Г. А. Жбанков2, В. А. Телегин1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, (ИЗМИРАН)
г. Москва, г.Троицк 2НИИфизики Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону e-mail: karp@izmiran..ru Поступила в редакцию 05.03.2012 г. После доработки 26.09.2012 г.
Рассмотрены необычные сложные ионограммы ИСЗ "Интеркосмос-19", на которых четыре диффузных облака характерной формы нанизаны как жемчужины на основной след отраженного сигнала. С помощью траекторных расчетов показано, что они связаны с четырьмя слоями неоднород-ностей, расположенных на высотах от hmF2 до высоты ~900 км. Размеры неоднородностей составляют от нескольких километров до 100 км, а интенсивность 8Ne достигает 100%. Высоты неоднородных слоев увеличиваются к экватору вместе с подъемом слоя F2 и не связаны с силовыми линиями магнитного поля. Сложные ионограммы наблюдались на внешнем склоне и на вершине гребня экваториальной аномалии, и, вероятно, обусловлены процессами, происходящими в экваториальной ионосфере.
DOI: 10.7868/S0016794014010040
1. ВВЕДЕНИЕ
Спутник "Интеркосмос-19" (ИК-19) довольно часто регистрировал интересные, сложные ионограммы внешнего зондирования. Интерпретация таких ионограмм вызывает большие затруднения, поскольку для того, чтобы сделать определенные выводы относительно морфологии и причин наблюдаемого явления, обычно приходится просмотреть весь массив данных ИК-19, который составляет около полумиллиона ионограмм. Однако анализ сложных ионограмм всегда оправдан и представляет большой интерес, поскольку они, как правило, связаны с необычными структурами ионосферы. Ионограммы, которые рассматриваются ниже, были зарегистрированы в аналоговом виде на приемном пункте Москва. Высокое качество аналоговых ионограмм позволило детально зафиксировать очень интересную структуру на гребне экваториальной аномалии. Она состоит из четырех диффузных облаков характерной формы, нанизанных как "жемчужины" на основной след отраженного сигнала. Интерпретация этой структуры проводится в работе на основе траекторных расчетов, проведенных по методу характеристик.
2. ДАННЫЕ СПУТНИКА ИК-19
Необычное явление наблюдалось 9 апреля 1981 г. Оно развивалось следующим образом. При движении спутника к экватору на высокочастот-
ном участке основного следа отраженного сигнала появилось слабое рассеянное облако. Важно отметить, что шумы наземных станций в данном случае проявились гораздо ниже критической частоты, поэтому они наложились на это облако, маскируя его. В какой-то момент на более низких частотах начала формироваться следующая похожая структура. Затем еще одна, а затем еще одна. Интенсивность всех четырех диффузных облаков увеличивалась при движении к экватору. На рисунке 1 приведены для иллюстрации две из серии ионограмм, на которых наблюдались диффузные облака. Верхняя ионограмма соответствует моменту, когда уже были хорошо развиты две структуры и начала формироваться третья. На нижней ионограмме все структуры чрезвычайно сильно развиты, хотя самая нижняя (правая) из них замаскирована шумами наземных станций. К сожалению, данные ИК-19 обрываются на широте 19.6° 1ЬАТ, поэтому мы не знаем, что происходило при дальнейшем движении к экватору. Отметим только, что в экваториальной ионосфере подобные структуры наблюдаются довольно регулярно, однако качество цифровых ионограмм, которые их фиксируют, гораздо ниже, чем у аналоговых ионограмм на рис. 1, поэтому их трудно соотносить друг с другом.
На рисунке 2 приведены широтный разрез /о/2 для рассматриваемого витка и еще два разреза для сравнения. Точками показаны значения критиче-
5
65
1981 04 09 02 08 19 МОСКВА 746
1981 04 09 02 08 51 МОСКВА 750
Рис. 1. Аналоговые ионограммы, записанные на приемном пункте Москва 9 апреля 1981 г. в 02:08:19 (а) и 02:08:51 (б) на долготах 25—30° и местном времени 1.2—1.4 ч.
ской частоты слоя ¥2, отсчитанные по основному следу О-компоненты отраженного сигнала на ионограммах со сложными следами отражений. Кружками показаны минимальные частоты, на которых регистрировались шумы наземных станций. Видно, что они фиксировались на частотах гораздо ниже критической частоты. Это свидетельствует о сильно неоднородной структуре ионосферы в рассматриваемой области, что и приводит к проникновению на спутник шумов на частотах ниже 0¥2. Шумы маскируют критическую частоту, поэтому последние значения/о¥2 приближенно отсчитаны равными 15 МГц, это скорее минимальные значения. Штриховой кривой приведен ви-
ток спутника, записанный сутки спустя, 10 апреля 1981 г. Он полностью повторяет виток 9 апреля 1981 г., но он обрывается немного раньше, поэтому структуры, подобные исследуемым, только начинают формироваться на двух последних ионо-граммах. Таким образом, наблюдаемое явление является редким, но не уникальным. И, как видно из рис. 2, оно, скорее всего, наблюдается на гребне экваториальной аномалии (ЭА). К сожалению, при зондировании над Москвой в аналоговом режиме гребень ЭА достигался крайне редко, при очень низких углах приемной антенны, когда сигнал становится слабым, и качество ионограмм резко падает. Однако структуру ЭА можно воспроиз-
вести полностью по данным зондирования в цифровым режиме. Пунктирной кривой на рис. 2 показаны такие данные, полученные для максимально близких условий 3 апреля 1980 г. Они полностью воспроизводят структуру северного гребня ЭА. Хорошо видно, что исследуемая структура действительно наблюдается на вершине и отчасти на внешнем склоне гребня ЭА, который очень хорошо развит, несмотря на позднее время (~01 КГ).
Рассмотрим ярко выраженную структуру на рис. 1б подробнее. Ясно, что она связана с неоднородной структурой ионосферы. Поскольку жемчужины расположены на разных высотах (и соответственно разных частотах), неоднородности также расположены на разных высотах. Поскольку все жемчужины плотно заполнены отраженными сигналами, имеет место не одна, а множество неодно-родностей на разных расстояниях. Можно представить их в виде четырех слоев, расположенных на разных высотах. Возьмем первую сверху жемчужину. Ее верхний край формируется отражением от ближайшей неоднородности в данном слое, а нижний — от самой удаленной. Отражение от ближайшей неоднородности начинается в точке А, а заканчивается в точке В. Точка А соответствует верхнему краю, а точка В — максимуму этой неоднородности. Истинные расстояния от спутника до верхнего края и до максимума неоднородности приведены штриховой кривой. Разность по высоте между точками А и В определяет толщину неоднородности. Как видно из рис. 2, она составляет несколько десятков километров. Разница по частоте между точками А и В определяет мощность неоднородности. Для первой сверху жемчужины мощность 8№ = (^шах — Щ)/М0 ~ 80%, второй — 55%, третьей — 95%, четвертой — не менее 100%. Таким образом, мы имеем дело с очень мощными неоднородностями.
3. ТРАЕКТОРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Модель ионосферы, использованную при расчетах, можно представить в виде совокупности
фоновой части, описывающей широтно-долгот-ные изменения среды и неоднородной части, отвечающей за формирование интересующих нас структур.
Фоновая ионосфера. Основой для задания фоновой ионосферы являются данные ионограмм
ИК-19, из которых по основному следу восстанавливается профиль электронной концентрации в точках зондирования в вертикальном при-
ближении. Соседние витки ИК-19 не сильно отличаются по величине концентрации, поэтому в первом приближении можно пренебречь долготными градиентами и использовать в расчетах двумерное пространственное распределение ионизации N 0(г, ф). Для расчета траекторий необходимо
foF2, МГц 14121086
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1ЬАТ, град
Рис. 2. Широтные профили /о¥2 для 9 апреля 1981 г. (сплошная кривая), 10 апреля 1981 г. (штриховая кривая) и 3 апреля 1980 г. (пунктирная кривая). Точки — значения критической частоты, отсчитанные по основным следам отраженного сигнала, кружки — по шумам наземных станций. Отрезки прямых — высоты неоднородных слоев, тонкая штриховая прямая — силовая линия геомагнитного поля.
обеспечить непрерывность плазменной частоты и ее производных. Этого можно достичь, используя интерполяцию полученных данных кубическим сплайном.
Неоднородная структура. Неоднородная часть формируется из одиночных возмущений, имеющих размеры до 100 км, и волновых возмущений, которые используются для создания мелкомасштабных структур. Наличием мелкомасштабной структуры объясняется сплошное заполнение жемчужин. То есть в общем случае N = N0(1 + ЛN1 +
+ Л^в), где ДN1 — часть, создаваемая крупномасштабными неоднородностями:
f ( \ 2 f \ 2 Л
— x — x 0i - z — z 0i
V V lXi V lZi /
А N i = £ 81 exp
с амплитудой 5, центром (х0, г0) и характерными масштабами 1Х, 1г, а мелкомасштабную структуру можно описать в виде цуга бегущих вдоль траектории спутника волновых возмущений (ВВ)
х cos
ANbb = £ 8 j (r, ф):
2П
- T Q j + Pj(r - R0j) + P^jФ + Ф 0j
где 5 (r, ф) — зависящая от координат относительная амплитуда ВВ с периодом T; pr = — cos 0,
Л
pv = 2п sin 0 — радиальная и горизонтальная со-
4
Н, км
!ЬАТ, град
Рис. 3. Модельный высотно-широтный разрез ионосферы и лучевые траектории на частоте 8 МГц для ионограммы 8 и на частоте 14 МГц — для ионограммы 11. Изолинии равной частоты представлены в МГц. Звездочками отмечены все ионограммы, на которых наблюдалась исследуемая структура.
ставляющие волнового вектора ВВ, Ф0 — начальная фаза, Л — длина волны, 0 — угол наклона направления движения ВВ к горизонтали. Полученная таким образом модель ионосферы представлена на рис. 3. Как видно, она состоит из четырех слоев неодно-родностей, расположенных на соответствующих высотах, от высоты максимума слоя 12 до 860 км. Высоты всех слоев увеличиваются к экватору. Соответствие этой модели реальной структуре ионосферы проверяется сравнением экспериментальных ионограмм с ионограммами, полученными в расчетах.
Для расчета лучевых траекторий и
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.