Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 1, стр. 61-65

1. ВВЕДЕНИЕ

На ионограммах ИСЗ “Интеркосмос-19” (ИК-19) довольно часто наблюдались необычные следы распространения как главных компонент радиосигнала, отраженного от ионосферы, так и отраженного от земной поверхности сигнала. Как правило, необычные следы связаны с отражениями от неоднородностей ионосферы. Иначе говоря, они интересны не сами по себе, а как индикаторы неоднородностей ионосферной плазмы, образующихся в разных условиях и на разных широтах. В данной статье речь пойдет о необычных земных отражениях. Ранее уже рассматривались необычные земные отражения, действующее расстояние которых быстро увеличивалось с частотой, так что они выглядели, как сильно наклонные [Данилкин и др., 2006; Карпачев и др., 2013]. Ниже будут рассмотрены дополнительные земные отражения, горизонтальные, как и основной земной след, но сильно удаленные, вплоть до 1400−1600 км в терминах действующего расстояния.

2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

На рисунке 1 приведены три примера из редкой серии ионограмм, на которых наблюдался дополнительный земной след, степень удаленности которого от нормального следа увеличивалась по мере движения спутника от высоких широт к более низким. Ионограммы были зарегистрированы 11 мая 1979 г. в ночной (00−01 LT) слабо-возмущенной (Кр = 3+) ионосфере южного полушария. Серия состояла из 13 ионограмм, и, как видно из рис. 1, расстояние между основным и дополнительным земным следом увеличивалось от ~100 км до ~800 км при движении от широты ~72°−73° S до широты 66° S, что составляет ~700 км. Это значение примерно соответствует увеличению расстояния между основным и дополнительным следом. Поэтому можно предположить, что дополнительные отражения имели место от некоторой структуры, расположенной на широте 73°−74° S, что соответствует, примерно, геомагнитной широте −60° и геомагнитному наклонению −70°.

Рис. 1.

Ионограммы, зарегистрированные 11 мая 1979 г. в ночной ионосфере (00−01 LT) в долготном секторе 257°−285° Е на высоте 780 км на широтах (сверху вниз) 70.9° S, 69.2° S и 66.6° S.

3. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА 11 МАЯ 1979 г.

На рисунке 2 показаны изменения с широтой величины foF2 и расстояния от стенки повышенной концентрации при движении вдоль орбиты спутника. Поскольку наблюдения были сделаны в полночь, они относятся к области главного ионосферного провала (ГИП). Экваториальная стенка ГИП пологая, она фактически представляет плато. Неглубокий минимум foF2 наблюдается на широте −72°, что соответствует геомагнитной широте −58°. Для 00 LT, Кр = 3+ и долготы 264° Е − это обычное положение минимума ГИП. Полярная стенка провала чрезвычайно крутая. Геомагнитная широта −60° в околополуночных условиях при Кр = 3+ соответствует экваториальной кромке аврорального овала, где происходят высыпания частиц, создающих неоднородности ионосферной плазмы. Эти неоднородности вытянуты вдоль магнитных силовых линий. Стенка повышенной концентрации в авроральной ионосфере ориентирована по долготе, поскольку высыпания частиц обычно развиваются вдоль долготы. При движении спутника по орбите отражения идут перпендикулярно к стенке повышенной концентрации, поэтому изменения долготы при оценках можно не учитывать. Таким образом, мы имеем дело с довольно необычной структурой, несвойственной спокойным условиям в южном полушарии. Это, вероятно, связано с тем, что момент наблюдений соответствует началу суббури с АЕ = 600 нТл. С другой стороны, образование подобной стенки в высокоширотной ионосфере не является редким явлением, оно было, например, зарегистрировано и описано ранее по данным спутника Космос-1809 [Данилкин и др., 1991]. Дополнительный земной след размывался по мере удаления от стенки повышенной концентрации. Действующее расстояние до отраженных следов слабо изменялось с ростом частоты зондирования в отличие от сильно наклонных следов, рассмотренных ранее. Поэтому будем обозначать их как горизонтальные.

Рис. 2.

Изменения с широтой величины foF2 и расстояния D удаленного следа от основного земного следа вдоль орбиты спутника для наблюдений 11 мая 1979 г.

4. ТРАЕКТОРНЫЕ РАСЧЕТЫ

Интерпретация эксперимента проводилась на основе траекторных расчетов. Методика этих расчетов подробно описана в работах [Кравцов и Орлов, 1980; Жбанков и др., 2010; Карпачев и др., 2012], поэтому напомним только основные ее положения. Расчеты проводятся в три этапа: 1) создание модели фоновой ионосферы на основе данных ИК-19; 2) задание неоднородной структуры ионосферы; 3) собственно траекторные расчеты методом характеристик на основе созданной модели ионосферы и формирование модельной ионограммы. Ясно, что главная проблема связана с построением модели неоднородной ионосферы для каждого конкретного случая. Она строится методом последовательных приближений так, чтобы полученная модельная ионограмма максимально соответствовала экспериментальной. Траекторные расчеты проводятся в двумерном приближении, лучи лежат в плоскости магнитного меридиана (проходящей через спутник). Задачей расчетов является воспроизведение основных следов, обусловленных регулярной ионосферой и дополнительных следов, создаваемых “главной” неоднородностью.

На рисунке 3 приведена модель ионосферы, созданная согласно описанным выше принципам. Высотно-широтный разрез выше максимума слоя F2 построен по данным ИК-19, а снизу он дополнен по модели IRI с учетом значений hmF2 и foF2, полученных из ионограмм. Модель приведена для наиболее интересной ионограммы, обозначенной цифрой 2 на рис. 1 и 2. Видно, что фоновая модельная ионосфера заполнена мелкомасштабными неоднородностями для воссоздания эффекта F-рассеяния на ионограммах. Основные следы характеризуются довольно сильным F-рассеянием, однако левый край O-компоненты на всех ионограммах более или менее четкий, что позволяет рассчитать N(h)-профили с достаточной для данной задачи точностью. Полярная стенка провала моделируется крупномасштабной неоднородностью, вытянутой вдоль силовой линии геомагнитного поля. Предполагается, что ее положение по широте не изменяется. По широте стенка занимает менее 1°, что обеспечивает резкий градиент электронной концентрации ~2.4 × × 10⁵ см^–3/км. Поскольку первую и последнюю ионограммы с дополнительными земными отражениями разделяет расстояние по долготе более 1000 км, и фоновая ионосфера и неоднородность несколько изменяются по структуре, что учитывалось при расчете модельных ионограмм 1−3. Фоновая ионосфера изменяется так, чтобы соответствовать основным следам на ионограмме, а неоднородность изменяется так, чтобы обеспечить прохождение лучей радиосигнала, формирующих дополнительный земной след.

Рис. 3.

Основные лучевые траектории для О-компоненты на частоте 6.9 МГц для ионограммы 2 на рис. 1.

На рисунке 3 показаны лучевые траектории на частоте 6.9 МГц для обыкновенной компоненты радиосигнала для ионограммы 2, а на рис. 4 − модельная ионограмма, которую они формируют. Верхний луч, отмеченный цифрой 1, распространяется выше максимума слоя F2 к неоднородности, отражается от нее и тем же путем возвращается обратно на спутник. Этот луч формирует след на действующей высоте ~600 км, поскольку на ионограмме 2 он приходит раньше земного. Действующее расстояние этого луча изменяется соответственно расстоянию до стенки повышенной концентрации. (На ионограмме 3 он расположен дальше земного отражения по действующему расстоянию). След обрывается на частоте ~12 МГц, которая соответствует электронной концентрации в максимуме неоднородности. Вертикальный луч 2 формирует основной и земной след О-компоненты. Основной след сильно рассеянный, поскольку ионосфера в области ночного провала всегда неоднородная. Луч 3, который отражается от стенки, а затем от земной поверхности, как раз образует дополнительный земной след. Ясно, что чем дальше спутник уходит от стенки, тем больше действующее расстояние для этого отражения. На ионограмме 2 дополнительный земной след, довольно сильно рассеянный, находится на действующем расстоянии 1100−1200 км. Луч 4, который неоднородность преломляет вертикально к земной поверхности, не сильно отличается от предыдущего луча по действующему расстоянию, они вместе и формируют дополнительный след. Наконец, есть луч 5, который сначала отражается от земной поверхности, затем от неоднородности, и затем снова от Земли. Семейство этих лучей образует облако отражений на больших расстояниях, в данном случае на 1400−1600 км. Приведенная на рис. 3 схема действительна только для ионограммы 2, она довольно сильно отличается в случае ионограммы 1 или 3, но основные положения этой схемы сохраняются.

Рис. 4.

Модельная ионограмма, наложенная на экспериментальную ионограмму 2.

На рисунке 4 модельная ионограмма наложена на экспериментальную, что позволяет оценить их подобие и соответственно точность решения обратной задачи. Сильно рассеянные главные следы и О- и Х-компонент совпадают с экспериментальными, следовательно, неоднородная фоновая ионосфера на рис. 4 воспроизведена достаточно точно. Основной земной след воспроизведен абсолютно точно, но этого нетрудно добиться. Прямое отражение от стенки на экспериментальной ионограмме не четко структурировано на экспериментальной ионограмме (на высотах 600−700 км), но это, вероятно, связано с тем, что в реальности отраженный сигнал также приходит сильно рассеянным. Дополнительные земные отражения достаточно хорошо согласуются и по действующему расстоянию, и по частоте – они обрываются на 14.0−14.5 МГц. (На ионограмме 3 следы обрываются еще раньше – на 12 МГц). Семейство рассеянных следов на модельной ионограмме в интервале 1400−1700 км на экспериментальной ионограмме отражено слабо, что, вероятно, связано с двумя причинами. Во-первых, на цифровых ионограммах ИК-19 регистрировались только 3 первых отражения, т.е. наблюдался своеобразный эффект экранировки самых дальних отражений. А, во-вторых, далекие следы приемник ионозонда мог просто не регистрировать из-за малой амплитуды сильно ослабленных сигналов.

Таким образом, удалось добиться хорошего совпадения модельной и экспериментальной ионограмм как для главных, так и дополнительных отражений. Они определяются целым семейством лучевых траекторий. Это означает, что построенная модель ионосферы хорошо описывает реальную ситуацию в данном случае. Возможно, предложенная схема не является единственной, но она, во всяком случае, физически обоснована и не противоречит экспериментальным данным.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В высокоширотной ионосфере, наиболее вероятно под действием высыпаний энергичных частиц, формируются тонкие слои неоднородностей с высокой плотностью ионосферной плазмы. При зондировании со спутника они проявляются на ионограммах или в виде необычных главных следов [Данилкин и др., 1991], или как дополнительные отражения от Земли, описанные выше. Эти дополнительные отражения реализуются на основе целого семейства лучевых траекторий, отраженных от стенки повышенной концентрации и переотраженных от земной поверхности. Модельная ионограмма, построенная на основе траекторных расчетов для условий эксперимента 11 мая 1979 г., хорошо согласуется с экспериментальной. Это означает, что обратная задача для этого случая была решена вполне успешно.