ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 3, с. 101-112
УДК 535-11,550.385:551.5
ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА НИЖНЮЮ ИОНОСФЕРУ В УСЛОВИЯХ МИНИМУМА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ О РАСПРОСТРАНЕНИИ СДВ-ДВ В СРЕДНИХ ШИРОТАХ
© 2012 г. А. А. Егошин, В. М. Ермак, Ю. И. Зецер, С. И. Козлов, В. П. Кудрявцев, А. Н. Ляхов,
Ю. В. Поклад, Е. Н. Якименко
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва E-mail: alyakhov@idg.chph.ras.ru Поступила в редакцию 28.07.2011 г.
Представлены статистические характеристики уровней радиосигналов среднеширотных радиостанций, работающих в СДВ—ДВ диапазонах, и зарегистрированных приемником, расположенным в геофизической обсерватории (ГФО) ИДГ РАН "Михнево" (54.94° с.ш.; 37.73° в.д.) в 2007-2010 гг. Указанные эксперименты позволили продемонстрировать, что в условиях глубокого солнечного минимума, т.е. отсутствия возмущающих факторов "сверху", связанных с солнечной и геомагнитной активностью, наблюдаются интенсивные вариации уровней радиосигналов. Причина таких вариаций, на наш взгляд, связана с возмущениями "снизу", определяемыми метеорологическими и волновыми процессами в средней и нижней атмосфере.
Ключевые слова: Распространение радиоволн, нижняя ионосфера, метеорология, волны Россби.
ВВЕДЕНИЕ
Нижняя ионосфера Земли, расположенная на высотах ~60-90 км, остается на сегодня наименее изученной. Это обусловлено практическим отсутствием средств постоянного наблюдения за ее состоянием. Достоверные измерения in situ, полученные в периоды пусков геофизических ракет, зал ожили фундамент физико-химических моделей среды и позволили разработать теоретические модели ионизационно-рекомбинационных циклов [Козлов и др., 1982; 1988; Кринберг и др., 1986; Turunen et al., 1996] и динамических процессов [Гинзбург и др., 1987; 1989]. Однако недостаток данных о константах скоростей химических процессов, высокая изменчивость и неопределенность даже по порядку величин концентраций малых нейтральных и возбужденных компонент атмосферы, не позволяют, к сожалению, детерминировано описывать отклик нижней ионосферы на возмущения разной физической природы, как приходящие "сверху", вызванные солнечной и геомагнитной активностью, так и воздействующие "снизу", со стороны средней атмосферы и литосферы.
В тоже время анализ характеристик распространения радиоволн в СДВ (3-30 кГц) и ДВ диапазоне (30-300 кГц) дает уникальные возможности по мониторингу процессов в нижней ионосфере. Распространение радиоволн этих частот
идет в волноводе Земля-ионосфера, в дневных условиях с отражением от D-слоя ионосферы и в ночных с отражением от нижней части Е-слоя в диапазоне высот 60-90 км. Вариации электрической проводимости ионосферы в этом диапазоне высот проявляются в виде изменения величины принятого сигнала. Волноводный характер распространения в данном диапазоне частот [Wait, 1996] (в волноводе Земля-ионосфера) определяет тот факт, что уровень сигнала в пункте приема зависит от геометрии волновода, в частности, от изменения профилей электронной концентрации ионосферы, а также от параметров нейтральной атмосферы, определяющих частоту соударений электронов с нейтралами и затухание сигнала в среде.
Наблюдения за вариациями уровней радиосигналов используются для идентификации процессов в нижней ионосфере и средней атмосфере, в связи с действием различных внешних факторов и составляют одну из основных задач данных исследований: изучение изменчивости характеристик нижней ионосферы, проявляющихся в виде вариаций уровня СДВ-ДВ сигналов в условиях глубокого солнечного минимума. Знание таких "фоновых" вариаций является необходимым как при оценке относительной роли факторов солнечной и геомагнитной активности, так и при интерпретациях аномалий распространения СДВ-ДВ сигналов в сейсмоактивных районах.
Системы мониторинга СДВ диапазона существуют за рубежом, в частности, сеть Стэнфорд-ского университета, расположенная на Аляске, в Антарктиде и в континентальной части США [Poulsen, 1991; Cohen et al., 2010], пункты наблюдений в Индии [Cumar, 2009; Singh, 2010], в Южной Америке создана сеть SAVNET [Raulin et al., 2009; 2010]. На Николаевской Астрономической обсерваторией (Украина, www.mao.nikolaev.ua/ rus/ion_r.html) проводится мониторинг ДВ радиостанции DCF77 (Германия, частота 77.5 кГц). Также отметим мониторинг СДВ сигналов обсерваториями ПГИ КНЦ РАН в высоких широтах. В настоящее время проводится мониторинг СДВ сигналов радионавигационной системы "Альфа" на частотах 11.9, 12.6 и 14.9 кГц обсерваторией "Горьковская" СПб. Государственного Университета (http://rns-alpha.niirf.spbu.ru/index.html).
В указанных пунктах измерения проводятся на фиксированных частотах, в основном в СДВ диапазоне.
Основные задачи исследований, проводимых в упомянутых обсерваториях связаны с верификацией моделей распространения радиоволн СДВ—ДВ диапазона, с построением эмпирических моделей нижней ионосферы и определением уровня естественных помех в радиодиапазоне для практических задач [Fergusson, 1991; 1992, 1995; Tomko, 2001], а также с изучением внезапных ионосферных возмущений (SID — Sudden Ionosphere Disturbance), связанных с грозовой молниевой активностью, дискретными высыпаниями заряженных частиц высоких энергий, развитием надоблачных электрических разрядов, солнечными рентгеновскими вспышками и даже столь экзотичными событиями, как космические гамма-вспышки [Raulin, 2009]. Мониторинг SID ведется также рядом любительских станций наблюдений, расположенных по всему миру.
Наличие большого количества мощных передатчиков, вещающих в непрерывном режиме, обеспечивает, вообще говоря, уникальные условия для глобального мониторинга состояния нижней ионосферы и неразрывно связанной с ней средней атмосферы.
Отметим работы, использующие результаты наблюдений за СДВ радиостанциями, в исследованиях по проблеме поиска предвестников землетрясений [Гуфельд и др., 1988; Бучаченко и др., 1996; Molchanov, Hayakawa, 1998; Hayakawa, Mol-chanov, 2000; Поддельский, 2004; Сливинский и др., 2006]. Авторы этих исследований рассматривают аномалии в распространении СДВ радиоволн в сейсмоактивных районах как следствие процессов подготовки землетрясений.
В ГФО "Михнево" ИДГ РАН мониторинг ведется на СДВ-ДВ диапазоне частот, и к настоящему времени накоплен банк данных непрерывных
измерений, охватывающий период с октября 2007 года по настоящее время. Наблюдения начались в период глубокого минимума солнечной активности. Удаленность от зон интенсивной грозовой деятельности и высокой сейсмичности позволяла предположить, что вариации сигналов радиостанций, которые будут фиксироваться в наблюдениях, связаны с суточным ходом ионизации ионосферы солнечным излучением, с сезонными изменениями состава нейтральной атмосферы и, возможно, внезапными ионосферными возмущениями. Вариации же грозовой активности будут проявляться в изменениях уровня шумов в соответствующих радиодиапазонах. Следовательно, возможные отклонения величин радиосигналов от предполагаемого временного хода, связаны с водействиями "снизу" и определяются, в частности, возмущениями метеорологической природы, разивающимися в средней атмосфере, или приходящими снизу, из тропосферы Земли, вследствие крупномасштабных динамических процессов.
Исследования такого рода возмущений получили интенсивное развитие в последнее время. Были обнаружены сигнатуры АГВ в сцинтилляциях сигналов спутниковой навигационной системы GPS [Alexander et al., 2008; Nath et al., 2009]. Экспериментальные исследования, включая ре-анализ 45-летних рядов наблюдений на радаре некогерентного рассеяния в Аресибо, подтвержденные численным моделированием, продемонстрировали передачу волновых возмущений из нижней атмосферы в ионосферу, причем первичным источником АГВ оказались океанские волны [Djuth et al., 2010; Vadas, Crowley, 2010]. В геомагнитно-спокойных условиях было показано сильное влияние на спокойную ионосферу температурных колебаний в стратосфере [Chau et al., 2010; Conde, Nicolis, 2010] и возбуждение волновых движений в средней и верхней атмосфере вследствие нелинейного взаимодействия приливных волн в тропосфере [Hagan et al., 2009]. Наличие связи между возмущениями в высокоширотной зимней стратосфере (~30 км) и возмущениями в нижнеширотной ионосфере (200—1000 км) в минимуме солнечной активности было продемонстрировано в работе [Goncharenko et al., 2010].
В данной работе приводятся новые экспериментальные результаты и теоретические оценки влияния метеорологических параметров и волновых процессов в средней атмосфере на нижнюю ионосферу и распространение СДВ—ДВ радиоволн.
УСЛОВИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения в геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево" проводились на вертикаль-
0° 15°E
Рис. 1. Расположение трасс мониторинга СДВ-ДВ радиостанций.
ную антенну высотой 20 метров приемником-измерителем Е8МВ Яокёе & Shwarz Е8Н-3 в режиме сканирования по частоте в диапазоне 9— 300 кГц в полосе частот 200 Гц. Динамический диапазон приемника 30—137 дБмкВ. Время сканирования полосы частот 200 Гц равнялось 50 мксек, а время полного сканирования диапазона составляло 2 мин 30 сек. С учетом затрат времени на запись информации средний интервал между измерениями на одной частоте в течение суток составил порядка 4 минут. В отдельные периоды наблюдений диапазон сканируемых частот сокращался, что уменьшало время между последовательными наблюдениями вдвое. Наблюдения велись круглосуточно, за исключением периодов переключения аппаратуры на наблюдения в режиме фиксации амплитуды на выбранной частоте и сканирования в узких диапазонах частот, не захватывающих радиопередатчики, с целью измерения уровня природных радиошумов, связанных с грозовой активностью. В июле-августе 2008 года наблюдения не велись из-за выхода аппаратуры из строя. Полная емкость банков данных составила ~100000 наблюдений на каждой частоте. Режим измерений приемника ESMB соответствовал получению среднеквадратичной амплитуды несущей частоты.
В качестве "реперных радиопередатчиков" использовались европейские радиостанции, перечень и расположение которых приведены в таб-
лице и на рис
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.