Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 315-320
Распространение электромагнитных волн в области высоких широт при различном состоянии ионосферы на частотах системы точного времени “Бета”
О. И. Ахметов 1, *, И. В. Мингалев 1, 2, О. В. Мингалев 1, 2, В. Б. Белаховский 1, З. В. Суворова 1
1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Полярный геофизический институт
Апатиты, Россия
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Мурманский арктический государственный университет”, филиал в г. Апатиты
Апатиты, Россия
* E-mail: akhmetov@pgia.ru
Поступила в редакцию 28.09.2020
После доработки 19.10.2020
Принята к публикации 28.10.2020
Аннотация
Рассмотрены ионосферные возмущения, вызванные приходом межпланетной ударной волны 24 января 2012 г., а также последующей суббурей. Проведен анализ с целью выяснить, как изменения вертикального профиля концентрации электронов влияют на амплитудные и фазовые характеристики сигналов, измеряемых у поверхности Земли на несущих частотах сети передатчиков системы точного времени “Бета”.
ВВЕДЕНИЕ
Высыпания в ионосферу заряженных частиц в широком диапазоне энергий во время суббури приводят к увеличению концентрации электронов в ионосфере в области высыпаний, что, в свою очередь, вызывает существенное понижение верхней границы волновода между литосферой и ионосферой, в котором распространяются волны ОНЧ диапазона. Это понижение приводит к искажению принимаемого радиосигнала. По этой причине представляется актуальным с помощью численного моделирования определить изменения амплитудных и фазовых характеристик волн ОНЧ диапазона, возбуждаемых наземным передатчиком и распространяющихся в авроральной области во время геомагнитной суббури или прихода межпланетной ударной волны (МУВ) к магнитосфере по сравнению со спокойными условиями.
Известно, что приход МУВ к магнитосфере вызывает сжатие магнитосферы и событие storm sudden commencement (SSC), предупреждающее о начале геомагнитной бури [1], или sudden impulse (SI). С появлением SSC связан целый комплекс геофизических явлений, таких как: появление геомагнитных пульсаций различных расточных диапазонов (Pc1, Psc3–5), резкое возрастание уровня ОНЧ-шумов [2], высыпание заряженных частиц различных энергий в атмосферу Земли, которое вызывает полярные сияния во время SSC [3, 4].
Экспериментальные исследования параметров сигналов ОНЧ диапазона на поверхности Земли во время различных гелиогеофизических явлений проводятся коллективами авторов [5, 6]. В этих работах авторы анализируют амплитудные и фазовые характеристики сигналов радиотехнической системы дальней навигации РСДН-20 “Альфа” для магнитного и электрического поля совместно с другими данными о состоянии ионосферы. Было показано заметное влияние состояния ионосферы на амплитудные и фазовые характеристики сигналов РСДН-20 “Альфа” на удалении от источника порядка 600–1000 км. Влияние на сигналы других, постоянно действующих, источников ОНЧ в рассмотренных работах не исследовалось.
Помимо системы РСДН-20 “Альфа” в диапазоне ОНЧ постоянно действуют передатчики сети точного времени “Бета”. Для передачи эталонных сигналов Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли использует разветвленную сеть средств передачи, работающих в различных частотных диапазонах [7]. Сеть радиостанций создает значительную область в волноводе Земля–ионосфера, заполненную периодическими сигналами постоянной амплитуды с несущими частотами 20 500, 23 000 и 25 100 Гц.
Авторы полагают, что исследование влияния состояния ионосферы на амплитудные и фазовые характеристики сигналов передатчиков сети “Бета” при помощи численных методов поможет в интерпретации результатов наземных наблюдений, подобной проведенной в работах [5, 6]. Также это исследование поможет оценить возможность использования сигналов сети точного времени “Бета” для оценки состояния D и E слоя ионосферы по результатам регистрации ОНЧ сигналов.
В данной работе авторы провели численное моделирование распространения электромагнитных волн ОНЧ диапазона в прямоугольном участке волновода Земля-ионосфера для десяти вариантов распределений концентрации электронов в ионосфере и распределений частоты столкновений электронов с ионами и нейтральными частицами. Все распределения являются горизонтально однородными и задаются вертикальными профилями. Вычислительные эксперименты распределены на две серии по пять для случаев прихода МУВ и суббури. Первый вертикальный профиль концентрации электронов в каждой серии вычислительных экспериментов соответствует условиям сильных высыпаний частиц в ионосферу в районе г. Тромсе во время прихода МУВ или суббури. Пятый вертикальный профиль концентрации электронов каждой серии вычислительных экспериментов соответствует спокойному состоянию ионосферы в районе г. Тромсе, а профили со второго по четвертый соответствуют переходным условиям.
ОБЛАСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИСТОЧНИК СИГНАЛА
В качестве области моделирования для численных экспериментов авторы использовали прямоугольный участок волновода Земля-ионосфера. Горизонтальный размер участка составлял 128 × 400 км, по высоте в атмосфере и ионосфере – 200 км, в глубину в литосфере – 25 км. Шаг сетки над поверхностью Земли – 500 м во всех направлениях, по вертикали в литосфере – 250 м.
Источник сигнала был задан на одной из двух наименьших сторон области моделирования следующим образом. На этой стороне в узлах сетки, расположенных выше поверхности Земли и ниже верхнего поглощающего слоя, было задано горизонтальное магнитное поле в виде суммы гармонических колебаний на частотах радиотехнической сети передатчиков сигнала точного времени “Бета”, а именно 20 500, 23 000 и 25 100 Гц. Такой способ задает на части грани прямоугольной области моделирования плоские фронты волн.
Численное моделирование показало, что при распространении этих волн внутрь области моделирования их фронты искажаются, и из них выделяются моды, которые хорошо распространяются в волноводе между литосферой и ионосферой. При этом на расстоянии более 10 длин волн от границы, на которой задан источник, в сигнале остаются только те моды, которые могут распространятся в волноводе.
Для всех внешних сторон области моделирования, кроме стороны источника, использовалось условие свободного ухода волны вместе с адаптированными поглощающими слоями PML и профилем потерь Беренгера [8], аналогично тому, как это было реализовано в работе [9]. Это позволило снизить уровень отражений сигналов от границ области до 0.1%.
ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРЫ, ЧИСЛЕННАЯ СХЕМА
При численном моделировании распределения концентрации электронов и частоты их столкновений с нейтралами и ионами считались горизонтально однородными. Вертикальные профили концентрации электронов над поверхностью Земли были заданы с использованием данных радара некогерентного рассеивания VHF EISCAT, расположенного вблизи г. Тромсе (CGM lat. = = 66.64°, CGM lon. = 102.9°), Норвегия, и двухпараметрической модели ионосферы Уайта [10] по формуле:
(1)
${{N}_{e}}(h) = 1.43 \cdot {{10}^{7}}{{e}^{{( - 0.15h{\kern 1pt} ')}}}{{e}^{{[({\beta } - 0.15)(h - h{\kern 1pt} ')]}}},$Во время события 24 января 2012 г. SSC импульс, вызванный приходом к магнитосфере межпланетной ударной волны, был зарегистрирован около 15.00 UT по вариациям SYM-H индекса. После SSC импульса наблюдалась геомагнитная буря 24–25 января 2012 г. (Dst = –71 нТл). SSC импульс вызвал увеличение суббуревой активности (AE ~ 800 нТл). SSC импульс сопровождался резким увеличением поглощения космического радиоизлучения (до 3 дБ) по данным риометра на станции ABK, расположенной вблизи от станции TRO, что говорит о высыпании заряженных частиц с энергией около 30 кэВ в ионосферу.
По данным радара VHF EISCAT в районе г. Тромсе в момент SSC импульса на высотах около 100 км в Е-слое ионосферы наблюдался резкий рост концентрации ионосферной плазмы более чем на порядок.
Для задания вертикального профиля концентрации электронов использовались данные радара VHF EISCAT в момент времени 24.01.2012 г. 15:06 UT для условий прихода МУВ, 22:00 UT для условий суббури, для спокойных условий использовались данные за полчаса до всплеска электронной концентрации, вызванного вторжением авроральных и энергичных заряженных частиц в ионосферу Земли.
На рис. 1а представлены пять вертикальных профилей концентрации электронов, использованных в численных экспериментах. Первый профиль соответствует описанным выше условиям прихода МУВ. Пятый профиль соответствует спокойным условиям. Профили со второго по четвертый соответствуют переходным условиям от возмущенного состояния ионосферы к спокойному. Эти профили были получены линейной интерполяцией между профилями 1 и 5. Аналогичным образом получены профили концентрации электронов для условий суббури, представленные на рис. 1б.
Рис. 1.
Вертикальные профили концентрации электронов 24.01.2012 г. для различных геофизических условий: для условий прихода межпланетной ударной волны (МУВ) профиль, отмеченный цифрой 1, соответствует приходу МУВ в момент UT = 15:06, профиль, отмеченным цифрой 5, соответствует спокойным условиям (а); для условий суббури профиль, отмеченный цифрой 1, соответствует суббуре в момент UT = 22:00, профиль, отмеченным цифрой 5, соответствует спокойным условиям (б).
Частота столкновений с нейтралами для соответствующих профилей электронной концентрации рассчитывалась с помощью данных EISCAT, данных модели NRLMSISE-00 и аналитической аппроксимации результатов измерений, представленной в работе [10] по формуле:
где h обозначает высоту в км.Профиль проводимости литосферы был задан с учетом результатов исследований проводимости земных пород на Кольском полуострове, полученных несколькими научными группами и опубликованных в работе [11], по формуле:
где z обозначает глубину в км.В данной работе использовалась модель распространения электромагнитных сигналов в волноводе Земля–ионосфера, основанная на численном интегрировании по времени системы уравнений Максвелла и уравнения для плотности тока с учетом инерции электронов в ионосфере на регулярной пространственной сетке. Различные модификации этой модели также использовалась в работах [8, 12]. Детальное описание разработанной авторами численной схемы представлено в работе [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Межпланетная ударная волна 15:06 UT
На рис. 2а и 2б изображены отношения амплитуды сигналов на расстоянии 200 км от источника в экспериментах, моделирующих распространение волн с частотами из набора, используемого системой “Бета”, во время SSC импульса разной интенсивности, вызванного взаимодействием с магнитосферой МУВ к амплитуде сигналов, распространяющихся в невозмущенных условиях. Видно незначительное усиление поля примерно на 10%, для электрической и магнитной компонент сигнала. Заметно, что реакция сигналов различной частоты на возмущенные условия в случае возмущения вызванного МУВ как для электрического, так и для магнитного поля в целом одинакова.
Рис. 2.
Отношения амплитуд компоненты Ez электрического поля на поверхности Земли на расстоянии 200 км от источника, полученные в разных вычислительных экспериментах во время прихода МУВ, к амплитуде компоненты Ez в той же точке, полученной в вычислительном эксперименте 5, который соответствует спокойным условиям (а); отношения амплитуд компоненты Hx магнитного поля (б); разность фаз между основными компонентами напряженности поля E и H на расстоянии 250 км от источника (в); волновое сопротивление среды на расстоянии 250 км от источника (г). По оси x указан номер вычислительного эксперимента, а тип линии указывает частоту сигнала.
Вычислительные эксперименты, проведенные для возмущенных состояний ионосферы, соответствующих приходу МУВ показали, что на расстоянии от источника более 200 км разность фаз между электрической и магнитной компонентами электромагнитного поля и волновое сопротивление среды слабо изменяются при изменении расстояния от источника. Это означает, что на расстоянии от источника более 200 км режим распространения сигнала в волноводе Земля-ионосфера устанавливается в соответствии с вертикальными профилями концентрации электронов и частоты столкновений.
Анализ разности фаз между электрической и магнитной компонентами электромагнитного поля на расстоянии 250 км до источника в зависимости от интенсивности возмущения электронной концентрации ионосферы, вызванного приходом МУВ (вычислительные эксперименты 1–5 по оси x) рис. 2в не выявил заметного влияния событий, связанных с приходом МУВ, на разность фаз в исследуемом частотном диапазоне. Зависимость разности фаз от частоты так же очень слабая – менее двух градусов. На рис. 2г показано волновое сопротивление среды на расстоянии 250 км до источника в зависимости от номера вычислительного эксперимента. Волновое сопротивление снижается в возмущенных условиях во время прихода межпланетной ударной волны, однако снижение не превышает 1 Ом относительно спокойных условий.
Суммируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что межпланетная ударная волна и последующее заметное повышение электронной концентрации в E и D области ионосферы оказывает незначительное влияние на амплитуду и фазу электромагнитных волн на частотах, используемых системой вещания эталонных сигналов точного времени и частоты “Бета”.
Суббуря 22:00 UT
На рис. 3а и 3б изображены отношения амплитуды сигналов на расстоянии 200 км от источника в экспериментах моделирующих распространение волн с частотами из набора, используемого системой “Бета”, во время суббури разной силы к амплитуде сигналов, распространяющихся в невозмущенных условиях. Видно заметное усиление поля на частоте 25100 Гц в 2 раза для электрической компоненты и более чем в 3 раза для магнитной компоненты сигнала. Заметно, что реакция амплитуды сигналов различной частоты на возмущенные условия в случае суббури существенно отличается, так амплитуда сигнала с частотой 25 100 Гц реагирует сильнее, чем амплитуды сигналов с частотами 23 000 и 20 500 Гц.
Рис. 3.
Отношения амплитуд компоненты Ez электрического поля на поверхности Земли на расстоянии 200 км от источника, полученные в разных вычислительных экспериментах во время суббури, к амплитуде компоненты Ez в той же точке, полученной в вычислительном эксперименте 5, который соответствует спокойным условиям (а); отношения амплитуд компоненты Hx магнитного поля (б); разность фаз между основными компонентами напряженности поля E и H на расстоянии 250 км от источника (в); волновое сопротивление среды на расстоянии 250 км от источника (г). По оси x указан номер вычислительного эксперимента, а тип линии указывает частоту сигнала.
На рис. 3в представлены разности фаз между электрической и магнитной компонентами напряженности электромагнитного поля на расстоянии 250 км до источника в зависимости от интенсивности ионосферных возмущений электронной концентрации, вызванных суббурей. На рис. 3г показано волновое сопротивление среды на расстоянии 250 км до источника рассчитанное по напряженностям электрического и магнитного поля в зависимости от номера вычислительного эксперимента. Волновое сопротивление снижается в возмущенных условиях суббури более заметно, чем в случае прихода МУВ, снижение превышает 3–4 Ом относительно спокойных условий. Волновое сопротивление сигналов на всех моделируемых частотах демонстрирует схожие вариации при изменении вертикальных профилей концентрации и частоты столкновений электронов в волноводе Земля–ионосфера от спокойных условий к условиям суббури.
Следует отметить, из рис. 1 видно, что суббуря вызывает более заметное повышение плотности ионосферной плазмы, чем повышение, вызванное приходом к магнитосфере межпланетной ударной волны. Влияние суббури, оказываемое на амплитуды сигналов, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера с частотами, соответствующими частотам используемым системой вещания эталонных сигналов точного времени и частоты “Бета” заметно сильнее, чем в случае возмущений, вызванных взаимодействием магнитосферы с МУВ. Однако влияние на фазовые характеристики моделируемых сигналов оказалось одинаково низким как для суббури, так и в случае МУВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные в данной работе результаты численного моделирования распространения электромагнитных волн ОНЧ диапазона в области высоких широт в прямоугольном участке волновода Земля-ионосфера для вариантов распределений концентрации электронов в ионосфере и распределений частоты столкновений электронов с ионами и нейтральными частицами, соответствующим ответу ионосферы на приход к магнитосфере межпланетной ударной волны 24 января 2012 г. и последующему развитию суббури, позволяют сделать следующие выводы:
Межпланетная ударная волна и последующее заметное повышение электронной концентрации в E и D области ионосферы оказывает влияние на амплитуду и фазу электромагнитных волн на частотах, используемых системой вещания эталонных сигналов точного времени и частоты “Бета”, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера. Однако вариации рассмотренных параметров недостаточны для стабильной регистрации существующими инструментальными методами на фоне радиошумов естественного и техногенного характера.
Анализ вычислительных экспериментов в условиях суббури разной интенсивности показал заметное влияние изменений профилей концентрации и частоты столкновений электронов в волноводе Земля-ионосфера от спокойных условий к условиям суббури на амплитудные характеристики, и незначительное влияние на фазовые характеристики моделируемых сигналов.
Использование сигналов системы вещания эталонных сигналов точного времени и частоты “Бета” для исследований D и E слоя ионосферы по результатам регистрации пунктами приема ОНЧ сигналов наземного базирования представляется нецелесообразным.
Исследование выполнено за счет средств проекта Российского научного фонда № 18-77-10018 (Ахметов О.И., Белаховский В.Б.).
Список литературы
Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Мир, 1980. 299 с.
Gail W.B., Inan U.S., Helliwell R.A. et al. // J. Geophys. Res. 1990. V. 95(A1). P. 119.
Воробьев В.Г. // Геомагн. и аэроном. 1974. Т. 14. № 1. С. 90.
Zhou X.-Y., Strangeway R.J., Anderson P.C. et al. // J. Geophys. Res. 2003. V. 108(A4). Art. No. 009701.
Стародубцев С.А., Баишев Д.Г., Григорьев В.Г. и др. // Солн.-земн. физ. 2019. Т. 5. № 1. С. 17; Starodub-tsev S.A., Baishev D.G., Grigoryev V.G. et al. // J. Sol.-Ter. Phys. 2019. V. 5. 1. P. 14.
Bashkuev Y., Advokatov V., Buyanova D., Pushkarev M. / E3S Web Conf. 2018. V. 62. Art. No. 01002.
Эталонные сигналы частоты и времени. Бюллетень В15/2015. ФГУП “ВНИИФТРИ”, 2015.
Berenger J.-P. // J. Comput. Phys. 1994. V. 114. No. 2. P. 185.
Akhmetov O., Mingalev O., Mingalev I. et al. // Proc. RWP-2019 (Kazan, 2019). P. 224.
Wait J.R., Spies K.P. Technical Note 300. Boulder: National Bureau of Standards, 1964. 96 p.
Korja T., Engels M., Zhamaletdinov A.A. et al. // Earth Planets Space. 2002. V. 54. No. 5. P. 535.
Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В. и др. // Солн.-земн. физ. 2019. Т. 5. № 4. С. 99.
Мингалев И.В., Мингалев О.В., Ахметов О.И., Суворова З.В. // Мат. модел. 2018. Т. 30. № 12. С. 17.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия физическая
Пн.-пт.: 10.00-19.00