ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2010, том 50, № 1, с. 123-130
УДК 550.338.2
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН СО СПУТНИКА "ИНТЕРКОСМОС-19" В ОБЛАСТИ ГРЕБНЯ НОЧНОЙ
ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ АНОМАЛИИ © 2010 г. Г. А. Жбанков1, А. Т. Карпачев2, В. А Телегин2, К. Г. Цыбуля2
НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Троицк (Московская обл.) e-mail: karp@izmiran.rssi.ru Поступила в редакцию 19.03.2009 г. После доработки 24.09.2009 г.
Показано, как образуется сложная ионограмма внешнего зондирования в области внешнего склона зимнего южного гребня экваториальной аномалии, где наблюдается большой градиент в NmF2 и глубокий минимум в hmF2. По скорректированным данным ИСЗ "Интеркосмос-19" построен модельный широтный профиль ионосферы, на основе которого проведены траекторные расчеты. Для моделирования лучевых траекторий использован метод характеристик. Показано, что сложная ионограмма ИСЗ "Интеркосмос-19" формируется наклонным отражением от склона гребня экваториальной аномалии (основной след) и сильно наклонным отражением от основания гребня в результате захвата волны крупномасштабной неоднородностью (дополнительный след).
PACS: 94.20.Bb+94.20.d1+94.20.dt
1. ВВЕДЕНИЕ
Спутники с ионозондом на борту (Alouette-1 и 2, ISIS-1 и 2, ISSb, "Интеркосмос-19") поставили богатый материал о структуре внешней ионосферы (см., например, [Труды ..., 1969]). При этом довольно часто ионограммы внешнего зондирования характеризуются дополнительными деталями, которые определяются сложными путями распространения радиоволн в области структурных особенностей ионосферы. Несколько таких интересных случаев было рассмотрено по данным спутников Alouette и ISIS (см., например, [Calvert and Warnock, 1969]). По данным ИСЗ "Интеркос-мос-19" (ИК-19) был проанализирован только один случай так называемых "перехлестов", создаваемых крупномасштабными наклонными не-однородностями в области южноатлантической геомагнитной аномалии [Флигель, 1989]. Однако анализ, проведенный в последнее время, показывает наличие и других характерных особенностей на ионограммах ИСЗ ИК-19, которые не были описаны по данным других спутников. В настоящей работе рассматриваются особенности распространения радиоволн при внешнем зондировании на ИСЗ ИК-19 в области внешнего склона зимнего гребня ночной экваториальной аномалии.
2. ДАННЫЕ
На рис. 1 приведен широтный (меридиональный) разрез внешней ночной ионосферы. Этот
разрез был построен по данным ИСЗ ИК-19, полученным на 2254-ом витке 2 августа 1979 г. в период 16:58:50-17:21:17 иТ для 22:30-00:30 ЬТ в долготном секторе 80-105°. Снизу разрез ионосферы дополнен по модели 1Ш. Данные ИСЗ ИК-19 относятся к высокой солнечной активности (/10.7 ~ 200), в этот период хорошо развитая экваториальная аномалия (ЭА) наблюдается даже в околополуночные часы местного времени. Это видно из рис. 1, на котором четко выделяются оба гребня ЭА. Северный летний гребень более развит, чем южный зимний, и градиент концентрации на его внешнем склоне больше. Однако необычная сложная ионограмма была зарегистрирована на внешнем склоне южного гребня. Это связано не только с градиентом концентрации, но и с тем, что на низких широтах зимней ионосферы высота максимума слоя /2 обычно сильно понижена (что отражено и в модели 1В1). В рассматриваемом случае это понижение было настолько глубоким, что можно говорить о яме, или провале, в Нш¥2. Эти особенности в структуре ионосферы и привели к формированию необычной ионо-граммы внешнего зондирования, которая обсуждается ниже.
На рис. 2 приведены три последовательные ионограммы ИСЗ ИК-19, зарегистрированные на внешнем склоне южного гребня. Интервал между сеансами зондирования составлял 64 с, что по широте равняется примерно 4°. Вопросы формирования ионограмм внешнего зондирования по-
Рис. 1. Широтный разрез ионосферы, построенный по данным ИСЗ ИК-19, полученным 2 августа 1979 г. в период 16:58:50—17:21:17 иТ в долготном секторе 80—105° для 22:30—00:30 ЕТ Разрез дополнен снизу и сверху по модели IRI. Кривые — изолинии равной плазменной частоты/п в МГц. Звездочки — траектория спутника, цифры 1, 2 и 3 соответствуют ионограммам 1, 2 и 3 на рис. 2. Штриховая кривая — изменения высоты кш¥2.
дробно рассмотрены в сборниках [Труды ..., 1969; Аппаратура ..., 1980], поэтому обсудим только те особенности, которые были присущи ионозонду на спутнике ИК-19. Ионозонд работал в двух режимах — аналоговом и цифровом. На рис. 2 представлены цифровые ионограммы. На них, из-за недостаточно большого объема телеметрической памяти на каждой частоте регистрировались всего три отражения (выше некоторого заданного порога). Пока помех мало, следы регистрируются четко. В частности, на верхней ионограмме 1 достаточно четко фиксируются следы Z- и Х-компо-нент, а также отражения от Земли. След О-компо-ненты на цифровых ионораммах обычно проявляется слабо, в частности на ионограмме 1 видно только его начало. Земное отражение, наоборот, более ярко проявляется для обыкновенной компоненты. Все следы начинаются с действующего расстояния 80 км, что эквивалентно длительности импульса передатчика, на время которого приемник ионозонда запирался по входу. Мысленно продолжая следы до высоты 0 км, получим примерные значения частот отсечки на высоте спутника для О- и Х-компонент 3.6 и 4.15 МГц соответственно. Ионограмма 1 была получена практически на вершине гребня ЭА и поэтому характеризуется высокой критической частотой /о/2 ~ ~ 10.8 МГц, которая наиболее точно определяется по земному отражению. Весь след необыкновенной компоненты на этой ионограмме четкий, что говорит о том, что отражение происходило от плоского однородного слоя. Нижняя ионограмма 3 была получена у основания гребня ЭА и харак-
теризуется низкой критической частотой /оП ~ ~ 4.8 МГц. Отражения на ней слегка рассеянные, но все параметры, в частности частоты отсечки, определяются довольно точно. И, наконец, средняя ионограмма 2 является в некотором роде суммой соседних, поскольку на ней наблюдается два следа — более высокочастотный, почти как на верхней ионограмме, и более низкочастотный, как на нижней ионограмме. Определим первый след как основной, а второй, более удаленный — как дополнительный. Второй след, как и первый, также принадлежит к Х-компоненте, поскольку начинается на той же самой частоте отсечки, что и первый. Частоты отсечки в данном случае определяются с трудом, но при наличии известного опыта обработки ионограмм внешнего зондирования отсечку необыкновенной компоненты можно зафиксировать в пределах 2.3—2.4 МГц. Более высокочастотный след отличается довольно сильной диффузностью, что свидетельствует об отражении от неоднородного слоя. Для того чтобы понять, как формируется сложная ионо-грамма 2, была промоделирована ионосфера в области внешнего склона южного гребня ЭА и проведены траекторные расчеты.
3. МЕТОДИКА ТРАЕКТОРНЫХ РАСЧЕТОВ 3.1. Модель ионосферы
На рис. 1 представлена общая геофизическая обстановка в период эксперимента. Широтный разрез ионосферы на рис. 1 построен в предположении вертикальных отражений от нижележащей
Частота, МГц
Рис. 2. Ионограммы ИСЗ ИК-19, полученные в точках траектории, отмеченных на рис. 1 цифрами 1, 2 и 3 соответственно.
ионосферы, т.е. для случая горизонтально стратифицированной ионосферы. Ясно, что на склоне гребня ЭА с большим градиентом концентрации это условие нарушается, и на самом деле мы имеем дело с наклонными отражениями. Кроме того, должна присутствовать некоторая особенность в структуре ионосферы, которая бы обеспечила второй, дополнительный след на ионограмме 2. Наконец, наличие множественных, рассеянных отражений в области основного следа на ионограмме 2 говорит о наличии мелкомасштабных неодно-родностей на внешнем склоне гребня ЭА. Поэтому встает задача построения модельного разреза ионосферы, который бы обеспечил распространение ра-
диоволн, сформировавших ионограммы 1—3. Таким образом, в данном случае модельный разрез ионосферы будет представлять более реальное распределение электронной концентрации в области внешнего склона гребня ЭА, чем на рис. 1. Задача построения модели ионосферы состоит из трех частей: 1) задание фоновой ионосферы, которая будет обеспечивать наблюдаемые частоты и высоты для следов отражений на ионограммах 1— 3, 2) задание крупномасштабной неоднородности, отвечающей за дополнительный след на ионограмме 2, и 3) введение мелкомасштабных неоднородностей на склоне гребня ЭА, создаю-
щих множественные рассеянные следы на ионо-грамме 2.
Фоновая ионосфера. Основой для задания фоновой ионосферы являются данные ИСЗ ИК-19, представленные на рис. 1. Соседние витки ИСЗ 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(r, ф).
Для расчета траекторий необходимо обеспечить непрерывность плазменной частоты и ее производных. Этого можно достичь, используя интерполяцию полученных на спутнике ИК-19 данных внешнего зондирования кубическим сплайном. Однако создание двумерного кубического сплайна на сетке с произвольными узлами достаточно трудоемко. Поэтому были проведены следующие операции:
— при помощи одномерного кубического сплайна в точках зондирования определен вертикальный профиль с равномерным шагом (5 км);
— для каждой высоты г = const для набора горизонтальных данных также методом сплайна рассчитаны значения плазменных частот с равномерным шагом (50 км);
— на полученной равномерной сетке определен двумерный кубический сплайн, который и используется для получения значений невозмущенного высотного профиля электронной концентрации N0(r, ф) в любой точке.
Крупномасштабная неоднородность. Промоделируем структуру внешней ионосферы на внешнем склоне гребня ЭА. Для этого зададим распределение электронной концентрации в виде N = N0(1 + AN1), где AN1 — крупномасштабная неоднородность
Д N1 = 5 exp I-
X —
7Г
z—z 0
определяется мелкомасштабными неоднородно-стями. Не вдавая
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.