ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 221-230
УДК 550.338.2
ВОЛНОВОДНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ИСЗ "ИНТЕРКОСМОС-19" © 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 02.11.2012 г.
После доработки 20.02.2013 г.
Рассмотрены дополнительные, сильно удаленные (до 2000 км), следы отражений радиосигнала на ионограммах спутника "Интеркосмос-19", полученных в экваториальной ионосфере. Они, как правило, начинаются на частотах, несколько ниже частот отсечки основных следов, что указывает на неоднородность с пониженной концентрацией плазмы. В экваториальной ионосфере такой неоднородностью является волновод, вытянутый вдоль силовой линии магнитного поля. Траекторные расчеты подтверждают предположение о волноводном распространении радиоволн и позволяют определить типичные параметры волновода: — SNe > 10%, диаметр 15—20 км. Поскольку стенки волновода гладкие, дополнительный след всегда регистрируется четко, даже тогда, когда основные следы полностью размывались сильной диффузностью. Обычно наблюдается один дополнительный след (Х-компоненты радиосигнала) и только иногда фиксировался еще один, кратный ему. Волноводы могут наблюдаться на всех высотах внешней экваториальной ионосферы в диапазоне геомагнитных широт ±40°. Формирование волноводов обычно связано с образованием в ночной экваториальной ионосфере неоднородностей разных масштабов, которые приводят к появлению других дополнительных следов и /-рассеяния.
DOI: 10.7868/S0016794014020102
1. ВВЕДЕНИЕ
На ионограммах спутника "Интеркосмос-19" (ИК-19), полученных в экваториальной ионосфере, довольно часто наблюдается дополнительный след. Он обычно начинается на частоте, несколько меньшей частоты отсечки основного сигнала, а в нескольких случаях — на частоте гораздо меньшей, чем у основного следа. В любом случае мы имеем дело с неоднородностью отрицательного знака, в которой концентрация плазмы меньше, чем фоновая. В экваториальной ионосфере такой неоднородностью с наибольшей вероятностью является волновод, вытянутый вдоль силовой линии магнитного поля. Поэтому именно это предположение проверялось особенно тщательно, хотя рассматривались и другие варианты. С ростом частоты дополнительные отражения резко отделяются от основных и смещаются на очень большие действующие расстояния, вплоть до 2000 км, предельного расстояния на ионограммах ИК-19. Таким образом, мы безусловно имеем дело с невертикальным распространением радиоволн КВ диапазона. При этом расстояния всегда увеличивались по мере приближения к геомагнитному экватору, т.е. спутник удалялся от области отражения дополни-
тельного сигнала. Дополнительный след всегда регистрировался узким, четко выраженным, хотя в то же самое время основные следы могли размываться сильным /-рассеянием вплоть до полного их исчезновения. Таким образом, дополнительный след не может быть отражением от какой-либо крупномасштабной неоднородности, иначе он также был бы диффузным. С другой стороны, такое качество является неотъемлемым свойством волновода, у которого стенки по определению должны быть гладкими, в противном случае сигнал в них будет рассеиваться и обратно на спутник не вернется. Иногда дополнительные следы наблюдались на целой серии последовательных ионограмм. Но обычно они регистрировались с перерывами, т.е. далеко не на каждой ионограмме при пролете через экватор. Мало того, на одной из ионограмм след мог регистрироваться целиком, а на следующей — только в ограниченном диапазоне частот. Это также свидетельствует в пользу волноводов, поскольку они узкие, и сигнал со спутника не всегда попадает в них и не на всех частотах. В случае же отражения от крупномасштабной неоднородности следы наблюдались бы целиком и на каждой ионограмме. Таким образом, перечисленные характеристики дополни-
200 -
400 -
600 -
800
м
иТ и
Я «
о н о о
& 1000 Т Т
2 1200
^
1400
о
=к 1600
Частота, МГц
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
т-1-1-1-1-1-
» а м
1
•ИК-19
Модель
* Ч
ЧЧ
Ч
' 8
1800
2000
Рис. 1. Ионограмма ИК-19, записанная 2 апреля 1979 г. в 11:57:37 ЦТ на широте 1.5° N (—11° I), долготе 347.7°, высоте 746 км.
1
2
3
4
0
тельных следов позволяют предположить, что они, скорее всего, связаны с волноводным распространением сигналов КВ диапазона. Цель настоящей работы — проверить это предположение на основе траекторных расчетов и определить параметры волноводов. Кроме того, по мере изложения материала будут рассматриваться и другие характеристики дополнительных следов. Отметим, наконец, что следы волноводного распространения сигналов наблюдались и по данным спутников А1оиеИе-1 и -2 [МиЫге^, 1963, 1967]. Однако они были связаны с неоднородностями положительного знака, поэтому их характеристики резко отличаются от характеристик, описанных выше, и не рассматриваются в работе.
2. ДНЕВНАЯ ИОНОСФЕРА 2.1. Данные ИСЗ ИК-19
ИСЗ ИК-19 функционировал в период высокой солнечной активности (/10.7 = 150—250) с марта 1979 г. по март 1981 г. Он обращался на эллиптической орбите 500—1000 км с наклонением 74°. Спутник мог записывать цифровые ионограммы над экватором с интервалом 16 и 64 с. Ниже рассмотрены два сеанса зондирования в дневной и ночной ионосфере, которые проводились с интервалом 16 с, что составляет ~120 км по расстоянию. Время получения самой ионограммы равно 6 с. В течение этого времени частота ионозонда изменялась от 0.3 до 15.85 МГц.
На рисунке 1 приведена ионограмма ИСЗ ИК-19, полученная в дневной (11:15 ЬТ) эквато-
риальной (—11° I) ионосфере 2 апреля 1979 г. Она характеризуется наличием дополнительного следа, который начинается несколько ниже по частоте, чем частота отсечки основного следа, которая для необыкновенной компоненты равна ~8.3 МГц. Дополнительный след очень четкий, /-рассеяние отсутствует. След необыкновенной компоненты зафиксирован полностью, вплоть до критической частоты; обыкновенная компонента представлена отдельными фрагментами. Отметим, что дополнительный след обычно регистрируется только для Х-компоненты, следы обеих компонент наблюдаются редко. Это связано, по-видимому, с особенностями поведения обыкновенной волны в области отражения. Действующее расстояние дополнительного следа намного больше, чем у основного и превышает 1600 км на предельных частотах. На ионограмме наблюдается и еще один дополнительный, сильно рассеянный, след, идущий практически параллельно основному. Он не является предметом исследования, поскольку не связан с волноводным распространением радиосигналов. Однако его наличие подчеркивает неоднородный характер ионосферы, обычный при наблюдении волноводных следов.
На рисунке 2 приведена схема эксперимента для 2 апреля 1979 г. На среднем графике показан широтный разрез foF2. Поскольку местное время над экватором составляло 11:15 ч, наблюдалась, как обычно для дополуденных часов, слабо развитая экваториальная аномалия. Критические частоты высокие — около 15 МГц. На нижнем графике показаны широтные изменения кш/2, они также имеют типичный для этого местного вре-
мени характер — высота слоя Х2 максимальна над экватором. На этом же графике приведены две силовые линии геомагнитного поля, которые проходят через точки на орбите, в которых были зафиксированы дополнительные следы. Как видно из графика, дополнительный след был зарегистрирован не только в южном полушарии (на ионограмме на рис. 1), но и в северном полушарии. (Ионограм-ма для северного полушария практически ничем не отличается от ионограммы на рис. 1.) Дополнительные следы наблюдались на очень близких широтах -11° I, однако из графика видно, что это несколько разные Х-оболочки. Наконец, на верхнем графике штриховой прямой показана орбита для рассматриваемого пролета спутника ИК-19. Сплошными прямыми обозначены силовые линии, проходящие через области зондирования. На самом деле силовые линии немного искривлены, но это не принципиально, поскольку очевидно главное — это действительно разные силовые линии и, соответственно, разные волноводы в северном и южном полушариях.
2.2. Траекторные расчеты и модель ионосферы
Процесс моделирования ионограмм состоит из двух основных этапов — задания достаточно точной модели ионосферы, отвечающей требованиям задачи, и выбора метода построения траекторий. Остановимся на них подробнее.
Модель ионосферы. Модель ионосферы, использованная при расчетах, задавалась в виде совокупности фоновой части, описывающей глобальное распределение электронной концентрации для данных условий, и неоднородных частей, отвечающих за формирование интересующих нас волно-водных структур и моделирующих процесс рассеяния. То есть в общем случае N = N + АN1 + ^ВВ.
Фоновая ионосфера. Будем считать, что параметры ионосферы по долготе постоянные и меняются только с геомагнитной широтой. Тогда для задания фоновой модельной ионосферы достаточно экспериментальных данных, полученных со спутника вдоль рассматриваемого пролета. В качестве начального приближения принимаются ^Л)-про-фили, полученные из результатов обработки основных следов ионограмм спутника ИК-19 в предположении вертикального распространения. Для расчета траекторий необходимо обеспечить непрерывность плазменной частоты и ее производных. Это достигается интерполяцией полученных результатов двумерным кубическим сплайном. Зная угол между орбитой спутника и геомагнитным меридианом, нетрудно получить распределение электронной концентрации в плоскости геомагнитного меридиана и, соответственно, вдоль силовой линии магнитного поля. Ниже максимума слоя Х2 распределение электронной концентрации при необходимости достраивалось по
Наклонение, град 20
10 0 -10
-20
330 335 340 345 \ 350 355 360
Долгота, град
/оЕ29 МГц 16 г
15
14
13
02.04.1979 г., 11:15 ЦТ 349° Е
12 -40
-20
20
40
АтХ2, км 600 -
400 -
200 -
-40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 Наклонение, град
Рис. 2. Вверху: проекция 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.