Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 410-415

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что мелкомасштабные неоднородности электронной плотности (от нескольких сотен метров до нескольких километров) в F-области ионосферы вытянуты вдоль и перпендикулярно геомагнитному полю, т.е. анизотропны. В работе [1] дана их классификация по соотношению осей: стержни (rods, а : 1 : 1), крылья (wings, a : b : 1, a > b) и листы (sheets, а : а : 1), где соотношения осей: 5 : 1 : 1, 10 : 5 : 1 и 10 : 10 : 1. Предполагается, что наблюдение стержней более вероятно в высоких широтах, а наблюдение крыльев и листов – в средних. Разработанный в Полярном геофизическом институте (ПГИ) метод спутникового радиозондирования и математической обработки радиосигнала [2] позволяет путем анализа амплитудных сцинтилляций, полученных со спутника наземным единичным приемником, исследовать анизотропные мелкомасштабные неоднородности F-области. Используя этот метод, в работе [3] исследованы высокоширотные мелкомасштабные неоднородности: они вытянуты преимущественно вдоль геомагнитного поля (ось α) и в некотором направлении перпендикулярно ему (ось β), т.е. поперечно-анизотропны. Буквенные обозначения α и β имеют тот же физический смысл, что и буквенные обозначения a и b в работе [1]. Также установлено, что при различных геофизических условиях ось β имеет различную ориентацию относительно направления на географический север. Это явление получило название “ориентация поперечной анизотропии Ψ_A”, она измеряется в градусах и отсчитывается от направления на географический север по часовой стрелке. Параметры α, β и Ψ_A получили название “параметры анизотропии”. Установлено, что в высоких широтах ориентация поперечной анизотропии Ψ_A соответствует направлению ионосферной конвекции в F-слое. В работе [4] исследованы параметры анизотропии мелкомасштабных неоднородностей в F-области среднеширотной ионосферы: параметры α и β оказались схожи с параметрами α и β высокоширотных неоднородностей, а ориентация Ψ_A соответствует направлению горизонтального ветра, как показало сопоставление с моделью Horizontal Wind Model (HWM07) [5, 6]. Входные параметры модели – день в году, время (UT), географические координаты, индекс магнитной активности Ap. Выходные параметры модели – распределение векторов ветра в виде двух компонент – зональной и меридиональной. В зависимости от поставленной задачи можно получить различные варианты распределения векторов горизонтального ветра: высотный профиль (0–400 км), широтный и долготный профили, MLT-профиль, профиль для конкретного дня, Ap-профиль. Модель основывается на накопленных за 50 лет данных спутников, ракет и наземных измерений и реализована в компьютерной программе Fortran 90.

Цель данной работы – исследование ориентации поперечной анизотропии Ψ_A мелкомасштабных неоднородностей в F-области среднеширотной ионосферы, по данным, полученным над московским регионом в спокойных геомагнитных условиях.

НАБЛЮДЕНИЯ

В период с октября 2008 г. по март 2012 г. ПГИ проводил регулярный прием радиосигналов низкоорбитальных (~1000 км) отечественных навигационных спутников наземным томографическим приемником, расположенным в г. Москва (55.67° N, 37.63° E). Эта станция входит в состав радиотомографической установки ПГИ, протяженность которой в указанный период была от арх. Шпицберген до г. Сочи.

Опишем кратко суть метода определения параметров мелкомасштабных неоднородностей (подробно метод описан в работе [2]). Наземным приемником в течение 18 минут нахождения спутника в зоне радиовидимости записывается радиосигнал, в квадратурах которого наблюдаются сцинтилляции при прохождении через неоднородный F-слой ионосферы. Если рассчитать дисперсию логарифма относительной амплитуды радиосигнала и представить ее графически, то в участке наибольшей концентрации мелкомасштабных неоднородностей искаженный радиосигнал имеет вид максимума, в несколько раз превышающий уровень фона (рис. 1а). Пример приведен для 03.04.2011 г. с регистрацией неоднородностей в 07:52 UT. Наличие изолированного максимума позволяет определить параметры анизотропии неоднородностей путем аппроксимации этого максимума теоретической моделью с численным подбором оптимальных величин α, β и Ψ_A. Эти параметры считаются постоянными в широтно-долготной области, занимаемой максимумом, которая считается областью наблюдения неоднородностей. Ширина максимума зависит от величины вытянутости неоднородностей вдоль (ось α) и перпендикулярно (ось β) магнитному полю. Пространственное положение максимума зависит от ориентации поперечной анизотропии Ψ_A. Значения α, β и Ψ_A, при которых аппроксимация наилучшая (β > 1, зачерненные кружки), приведены в левом верхнем углу. Очевидно, что аппроксимация максимума моделью изотропных неоднородностей (β = 1, точки) не дает согласие между обеими кривыми при любых других параметрах теоретической модели, т.е. мелкомасштабные неоднородности в этом примере анизотропны. Параметры α и β – это степени вытянутости, величины безразмерные. В данном примере неоднородности вытянуты преимущественно вдоль геомагнитного поля, чем поперек, поскольку соотношение β : α составляет 1 : 9, что наблюдалось в высоких [3] и средних широтах [4].

Рис. 1.

Определение параметров неоднородностей при неизменном по высоте направлении ветра; а – аппроксимация экспериментального максимума (тонкая кривая) теоретическими моделями изотропных неоднородностей (β = 1, точки) и анизотропных (β > 1, кружки). В левом верхнем углу – параметры анизотропии α, β и Ψ_A оптимальной аппроксимации. Пунктиром показан график углов между перемещающимся спутником и магнитным полем в точке наблюдения; б, в – широтно-долготное распределение векторов горизонтального ветра HWM07-модели (тонкие векторы, точка – начало вектора) и ориентация поперечной анизотропии Ψ_A неоднородностей (толстый вектор) в области их регистрации.

Исследование в спокойных геомагнитных условиях показало, что параметры анизотропии неоднородностей α, β и Ψ_A можно определить преимущественно в ночное время суток, поскольку в эти часы интенсивность сцинтилляций была достаточной, чтобы высота экспериментального максимума превышала уровень фона в несколько раз. В дневное время суток высота максимума была близка к фоновому уровню, что не позволяло достоверно определить параметры неоднородностей.

Сопоставление ориентации поперечной анизотропии Ψ_A с направлением ветра Ψ_W, рассчитанного по модели HWM07, показало, что мелкомасштабные неоднородности наблюдались при неизменном направлении ветра на высотах 200–400 км, поскольку для координат вершины максимума направление ветра с увеличением высоты менялось не существенно: от Ψ_W = 290° до Ψ_W = = 307°. На рис. 1б, 1в в географической системе координат приведено широтно-долготное распределение векторов горизонтального ветра модели HWM07 для высот h = 200 км и h = 400 км с указанием величин скоростей, рассчитанных для координат вершины максимума. Заметим: поскольку поперечная анизотропия – ось, то в данном случае к значению Ψ_A прибавлено 180° для наглядности сопоставления с направлением ветра. Сопоставление с моделью HWM07 показывает хорошее согласие между Ψ_A и Ψ_W на различных высотах F-слоя: ΔΨ = (Ψ_A − Ψ_W) составляет ΔΨ = 17° на h = 200 км и ΔΨ = 0° на h = 400 км.

Убедившись на этом и других аналогичных примерах, что ориентация Ψ_A соответствует направлению ветра Ψ_W, сопоставления были сделаны при изменяющемся направлении ветра на различных высотах F-слоя. Нужно заметить, что таких случаев было более половины. На рис. 2а приведен пример наблюдения мелкомасштабных неоднородностей 10.04.2009 г. в 19:13 UT, когда преимущественно зональное направление ветра на высоте 200 км (рис. 2б) приобретает меридиональную компоненту при увеличении высоты до 400 км (рис. 2в). На рис. 2а в экспериментальном графике дисперсии логарифма относительной амплитуды присутствует единичный максимум, как и в предыдущем случае. Аппроксимация максимума показала, что неоднородности анизотропны (β > 1), и соотношение β : α составляет 1 : 4. Численное сопоставление параметров Ψ_A и Ψ_W показало, что ΔΨ минимально (ΔΨ = 1°) на высоте h = = 210 км и максимально (ΔΨ = 58°) на h = 400 км. Обобщив подобные случаи, нужно сказать, что ΔΨ была минимальной для высот ниже 300 км в 63% от общего числа случаев – 426. Таким образом, если придерживаться гипотезы о связи ориентации поперечной анизотропии с направлением ветра, то можно предположить, что в данном примере неоднородности располагались на высоте 210 км. В разделе 3 обзорной работы [7] показано, что неоднородности с размерами поперек линий геомагнитного поля от нескольких сотен метров до нескольких километров регистрировались в интервале высот от ~150 км до высоты максимума F2-слоя ~250 км − наибольшей высоты их возможной регистрации. В этом же разделе показано, что на высотах 240–280 км наблюдается наиболее интенсивное развитие неоднородностей с размерами 200–800 м, а на высотах на 20–60 км выше наиболее интенсивными являются неоднородности километровых масштабов.

Рис. 2.

Наблюдение области с неоднородностями, имеющими постоянную ориентацию Ψ_A при изменяющемся по высоте направлении ветра. Условные обозначения те же, что на рис. 1.

В рассмотренных выше примерах в графике дисперсии логарифма относительной амплитуды присутствовал только один изолированный максимум, превышающий уровень фона. Однако случаи с двумя или тремя максимумами имели место также часто, как и случаи с единичным максимумом. В примере на рис. 3а 16.02.2009 г. в 17:32 UT в графике дисперсии логарифма относительной амплитуды наблюдаются два изолированных максимума с вершинами при широтах 54.1° с.ш. и 55.0° с.ш. Аппроксимация каждого максимума индивидуальной теоретической кривой показывает, что неоднородности анизотропны (β > 1), соотношение β : α составляет 1 : 5. При различных значениях ориентации поперечной анизотропии Ψ_A1 = 139° и Ψ_A2 = 54° параметры α и β удается подобрать в рамках единой модели (α₁ = α₂ и β₁ = β₂) как показателя однородной структуры ионосферы между станциями. Но большое различие между Ψ_A1 и Ψ_A2 указывает на непостоянство направления ветра в данной области.

Рис. 3.

Наблюдение областей с неоднородностями, имеющими различную ориентацию Ψ_A при изменяющемся по высоте направлении ветра. Условные обозначения те же, что на рис. 1.

На рис. 3б, 3в распределение векторов ветра приведено для тех высот, где различие (Ψ_A − Ψ_W) для каждого максимума было минимальным. Для меньшего максимума при направлении ветра Ψ_W = 59° различие (Ψ_A − Ψ_W) составило ΔΨ = –5° (h = 230 км). Для большего максимума при направлении ветра Ψ_W = 116° различие (Ψ_A − Ψ_W) составило ΔΨ = = 23° (h = 350 км).

Важно заметить, что наличие нескольких максимумов в графике дисперсии логарифма относительной амплитуды для данных московского региона служит показателем регистрации неоднородностей на разных высотах во время одного спутникового сеанса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование методом радиозондирования F‑области среднеширотной ионосферы показало, что мелкомасштабные неоднородности электронной плотности поперечно-анизотропны. Исследование в спокойных геомагнитных условиях показало, что параметры анизотропии неоднородностей α, β и Ψ_A можно определить преимущественно в ночное время суток.

Ориентация поперечной анизотропии Ψ_A менялась в интервале [1°–178°]. Численное сопоставление между Ψ_A и направлением горизонтального ветра Ψ_W (модель HWM07) в условиях неизменного направления ветра на различных высотах показало их хорошее согласие, т.е. мелкомасштабные неоднородности вытянуты вдоль направления горизонтального ветра. Численное сопоставление Ψ_A и Ψ_W в условиях изменяющегося направления ветра показало, что наименьшее различие ΔΨ между ними наблюдается на высотах преимущественно ниже 300 км. Однако были случаи, когда ΔΨ была наименьшей на высотах выше 300 км. Это были случаи, когда в одном спутниковом сеансе регистрировались пространственно-разнесенные области неоднородностей с одинаковыми значениями Ψ_A внутри каждой области, но разными (несколько десятков градусов) для разных областей.

Автор благодарит сотрудников лаборатории радиопросвечивания Полярного геофизического института за проведение экспериментальных работ. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 19-05-00941).