ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 80-89
УДК 550.388.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПО ДАННЫМ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ИСКУССТВЕННО МОДИФИЦИРОВАННОЙ F-ОБЛАСТИ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2007 г. Т. Д. Борисова1, Н. Ф. Благовещенская1, В. А. Корниенко1, М. Т. Риетвельд2
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург
2EISCAT, Тромсе дивизион, г. Тромсе, Норвегия
e-mail: borisova@aari.nw.ru
Поступила в редакцию 21.07.2005 г. После доработки 09.12.2005 г.
Предложен метод оценки и выполнен анализ поведения вектора движения ионосферных неодно-родностей в искусственно возмущенной высокоширотной F-области ионосферы по данным одновременных доплеровских наблюдений на нескольких трассах методом ракурсного рассеяния диагностических КВ-сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях. Доплеровские измерения проводились во время экспериментов по модификации ночной аврораль-ной ионосферы мощными КВ-радиоволнами нагревного комплекса EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия). Получено удовлетворительное соответствие в динамике направлений движения ионосферных неоднородностей в F-области ионосферы, рассчитанных по доплеровским измерениям и оцененных по результатам трехпозиционных измерений полного вектора скорости движений ионосферных неоднородностей над г. Тромсе радаром некогерентного рассеяния EISCAT на частоте 931 МГц.
PACS: 94.20.Ac; 94.20.Tt; 94.20.Vv
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что воздействие мощных КВ-радио-волн на ионосферную плазму вызывает интенсивное мелкомасштабное расслоение ионосферной плазмы на вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности электронной концентрации [Грач и Трахтенгерц, 1975; Васьков и Гуревич, 1976; Gurevich, 1978]. Ракурсное и обратное рассеяния диагностических КВ- и УКВ-радиосигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН) являются эффективным методом диагностики и экспериментального исследования МИИН.
В течение последних трех десятилетий были выполнены многочисленные экспериментальные исследования МИИН с использованием различных КВ-нагревных комплексов в средних и высоких широтах. Так, например, с использованием комплекса EISCAT/Heating, расположенном в г. Тромсе, Норвегия, существенный объем экспериментальных работ связан с исследованиями МИИН, возбуждаемыми как в E-, так и ^"-областях высокоширотной ионосферы (см. например, [Hedberg et al., 1983; 1986; Djuth et al., 1985; Noble et al., 1987; Stocker et al., 1992; Blagoveshchenskaya et al., 1998; 1999; Eglitis et al., 1998; Honary et al., 1999; Rietveld et al., 2003]).
При измерениях доплеровским методом на одной диагностической частоте представляется возможным определить проекцию скорости движения ионосферных неоднородностей на направление вектора рассеяния (разность между волновыми векторами падающей и рассеянной КВ-радио-волн) движущейся ионосферной неоднородности [Гершман и др., 1984]. Оценка скоростей перемещения ионосферных неоднородностей по данным измерений сдвига доплеровской частоты диагностических КВ-радиосигналов выполнялись неоднократно (см., например, [Ерухимов и др., 1979; Колосков и др., 1999; Благовещенская, 2001; Borisova et а1., 2002; Урядов и др., 2004; Борисова и др., 2005]).
В данной работе предложен метод и представлены результаты анализа поведения вектора скорости движений искусственных ионосферных неоднородностей в ночной высокоширотной ионосфере по данным одновременных доплеровских измерений на двух и более диагностических трассах. Для модификации ионосферы использовался комплекс ЕШСЛТ/ИваН^. При вычислении вектора скорости движения МИИН учитывалось, что ракурсное рассеяние диагностических радиоволн происходит в плоскости, перпендикулярной силовой линии геомагнитного поля и область рассеяния является единой для различных диагностических радиосигналов [Гуревич и Шварцбург, 1973].
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Экспериментальные наблюдения проводились
19 и 20 ноября 2003 г. в вечерние и предполуночные часы методом ракурсного рассеяния диагностических КВ-сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях. Модификация ионосферы осуществлялась с помощью КВ-комплекса ЕШСЛТ,/НеаИ^, ^е^еМ й а1., 1993], расположенного в Норвегии недалеко от Тромсе (географические координаты 69.6° N 19.2° Е, Ь = = 6.2). Мощный КВ-передатчик излучал на частоте /н = 4040 кГц 19 ноября 2003 г. и на/я = 5423 кГц
20 ноября 2003 г. Использовалась о-мода поляризации мощной КВ-радиоволны. Диаграмма направленности антенны комплекса была наклонена к югу на 9°, что обеспечивало излучение в направлении, близком к ориентации геомагнитного поля в Тромсе. В экспериментах использовалась фазированная антенная решетка № 2, обеспечивающая ширину лепестка диаграммы направленности антенны ~14°. При этом горизонтальный размер искусственно возмущенной области (ИВО) ионосферы на высотах Й-слоя составлял ~150 км. Эффективная мощность излучения составляла А>фф = 190-210 МВт. Длительность воздействий равнялась 4 мин и пауз между ними - 6 мин.
Экспериментальные исследования диагностических КВ-сигналов, рассеянных на ионосферных неоднородностях, проводились методом ракурсного рассеяния радиоволн. Измерения выполнялись на диагностических трассах: Лондон-Тромсе-С.-Петербург на рабочих частотах /диагн = 12 095 и 13 660 кГц; Пори (Финляндия)-Тромсе-С.-Петер-бург, /диагн = 11755 кГц; Берлин-Тромсе-С.-Пе-тербург, /диагн = 9735 кГц; и Никозия-Тромсе-С.-Петербург, /диагн = 9410 кГц. Карта, поясняющая геометрию экспериментов, приведена на рис. 1. Анализ диагностических сигналов, рассеянных на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН) над Тромсе, проводился доплеровским методом в Санкт-Петербурге (географические координаты 60.5° N 30.5° Е, Ь = 3.4), расположенном на расстоянии 1200 км от нагрев-ного комплекса Тромсе. Диаграмма направленно-
0 10 20 30
-1-
Рис. 1. Геометрия экспериментов 19 и 20 ноября 2003 г. с использованием КВ нагревного комплекса Е1БСЛТ в Тромсе, показывающая расположение диагностических трасс: Лондон-Тромсе-С.-Петербург; Берлин-Тромсе-С.-Петербург; Пори-Тромсе-С.-Петербург; Никозия-Тромсе-С.-Петербург.
сти приемной антенны ориентирована на Тромсе. Местоположение, координаты и рабочие частоты передающих КВ-радиостанций (/циагн), приведены в табл. 1, в которой приведены расстояния между пунктами излучения и комплексом ЕШСЛТ, а также дальности распространения диагностических радиосигналов до С.-Петербурга по дуге большого круга ("прямое" распространение).
Состояние ионосферы в периоды проведения экспериментов контролировалось с помощью стан-
Таблица 1. Местоположение, координаты, дальности диагностических КВ-радиотрасс
Местоположение передающих пунктов Географические координаты Диагн. частота, /диагн, кГц Дальность от диагностического передатчика до
Широта, град Долгота, град Е1БСЛТ/Неайщ, км С.-Петербурга, км
Лондон 52.0 0.00 13660 2200 2100
12095
Берлин 52.38 12.54 9735 1950 1400
Пори 60.38 21.60 11630 1050 500
Никозия 35.0 34.0 9410 4000 2800
fD, Гц
19:00 19:10 19:20
Время, UT
Рис. 2. Динамические доплеровские спектры диагностических КВ-сигналов во время эксперимента 19 ноября 2003 г.: а - трасса Пори-Тромсе-С.-Петербург, /диагн = 11 630 кГц; б - трасса Лондон-Тромсе-С.-Пе-тербург, /диагн = 12 095 кГц. На осях времени квадратными скобками отмечены интервалы работы комплекса EISCAT/Heating. Нулевая доплеровская частота соответствует распространению диагностических КВ-сигналов по дуге большого круга на трассах: а -Пори-С.-Петербург; б - Лондон-С.-Петербург.
ции вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы в Тромсе. Для эксперимента 19 ноября 2003 г. дополнительно выполнялись трехпозиционные измерения полного вектора скорости движений ионосферных неоднородностей над Тромсе с помощью ElSCAT радара некогерентного рассеяния (НР) на частоте 931 МГц.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Экспериментальные наблюдения 19 ноября 2003 г. выполнялись в период средней магнитной активности. Трехчасовой индекс магнитной активности (Kp) для периода 18-21 UT составлял ~3. Предварительные результаты исследований для указанного эксперимента опубликованы в работе [Blagoveshchenskaya et al., 2006а]. Ниже выполнен детальный анализ данных, полученных одновременно на двух радионаправлениях, с целью последующего определения вектора скорости движения МИИН.
На рис. 2 представлены динамические доплеровские спектры (сонограммы) диагностических КВ-
радиосигналов, принятых в С.-Петербурге 19 ноября 2003 г., в период 19 : 00-19 : 27 UT. Рис. 2а иллюстрирует сонограмму, полученную на трассе Пори-Тромсе-С.-Петербург, на частоте УДиагн = 11755 кГц. Рис. 26 демонстрирует сонограмму, зарегистрированную на трассе Лондон-Тромсе-С.-Петербург, Удиагн = 12 095 кГц. Нулевое значение сдвига допле-ровской частоты, fD = 0, соответствует распространению диагностических сигналов от передатчика до приемника по дуге большого круга. Анализ данных, представленных на рис. 2а, 26, показывает, что во всех нагревных циклах (19 : 0019 : 04, 19 : 10-19 : 14 и 19 : 20-19 : 24 UT) на обеих радиотрассах наблюдались интенсивные сигналы, рассеянные от МИИН. На сонограммах они формируют доплеровские треки, сдвинутые по частоте в отрицательную и/или положительную области относительно fD = 0. При этом корреляция между вариациями fD на двух диагностических трассах отсутствует.
Рассмотрение данных ионозонда в Тромсе показало, что в ходе эксперимента критические частоты слоя F2 изменялись от 4.5 до 4.1 МГц. Спорадический слой Es также регистрировался на ионограммах, но его критические частоты не превышали 3.2 МГц. Таким образом, отражение мощной волны накачки (fH = 4040 кГц) происходило от ночной авроральной F-области ионосферы, и МИИН, ответственные за ракурсное рассеяние диагностических сигналов, возбуждались в FZ-слое ионосферы.
Характерной особенностью эксперимента 19 ноября 2003 г. являлось возбуждение интенсивных МИИН в ночной авроральной F-области ионосферы при наличии естественных мелкомасштабных магнито-ориентированных нео
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.