Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 393-400

ВВЕДЕНИЕ

F-область ионосферы имеет достаточно сложную структуру, включающую в себя неоднородности электронной плотности различных масштабов, перпендикулярные геомагнитному полю. Неоднородности с поперечными размерами от нескольких сотен метров до нескольких километров, называемые мелкомасштабными, анизотропны: вытянуты в большей степени вдоль геомагнитного поля и в меньшей степени – перпендикулярно ему. В ранних работах различные ориентации поперечной вытянутости не связывались с каким-либо физическим процессом, а только отмечались. Например, в работе [1] описана ориентация в направлении “север-юг”, в работах [2, 3] – в направлении “запад-восток”, в работе [4] – вдоль L-оболочки. Позднее в Полярном геофизическом институте (ПГИ) был разработан метод [5] приема и обработки амплитудных флуктуаций радиосигнала от низкоорбитальных (~1000 км) навигационных ИСЗ системы “Парус” с приполярными орбитами, который, пройдя через ионосферу, принимался на земле на двух когерентных частотах (~150 и ~400 МГц) с частотой оцифровки 50 Гц. Этот метод позволил детально исследовать анизотропные неоднородности высокоширотной [6] и среднеширотной [7] F-области ионосферы.

В рамках данного метода физический смысл имеют не сами значения продольной и поперечной вытянутости неоднородностей, а только их соотношение. Численное определение данным методом величин продольной и поперечной вытянутости неоднородностей показало, что при различных геомагнитных условиях величина продольной вытянутости превышает величину поперечной вытянутости в несколько раз. Справедливость этого соотношения для неоднородностей высокоширотной и среднеширотной ионосферы позволяет представить модель изолированной неоднородности в виде эллипсоида (рис. 1), который не является эллипсоидом вращения, где буквенные обозначения α, β, Ψ_A обозначаются общим термином “параметры анизотропии”. Очевидно, что неоднородность вытянута преимущественно вдоль геомагнитного поля (ось α) и в некотором направлении перпендикулярно ему (ось β), при этом α > β > 1. Поскольку β > 1, такие неоднородности называются “поперечно-анизотропными”, а ориентация оси β относительно направления на географический север получила термин “ориентация поперечной анизотропии” и буквенное обозначение Ψ_A. Величина Ψ_A измеряется в градусах и отсчитывается от направления на географический север по часовой стрелке. Установлено, что в F-области высокоширотной ионосферы [6] и полярной шапке [8] ориентация поперечной анизотропии Ψ_A соответствует направлению электромагнитного дрейфа, а в работе [9] путем сравнения Ψ_A с моделью ветра в ионосфере средних широт установлено сходство Ψ_A с направлением горизонтального нейтрального ветра.

Настоящая работа – продолжение начатого в [10] исследования связи между ориентацией поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей и направлением дрейфа среднемасштабных неоднородностей по данным ионозонда DPS-4 (установлен в ИЗМИРАН). Полученные на новом экспериментальном материале, эти величины будут сопоставлены численно. Данные получены одновременно в F-области ионосферы над московским регионом.

Под среднемасштабными подразумеваются неоднородности с размерами от порядка одной зоны Френеля до нескольких зон Френеля. В численном эквиваленте это составляет от 5–10 до 50–100 км в зависимости от высоты отражения и частоты зондирования. Для оценки скоростей и направления дрейфа использованы данные по угловому спектру радиоволн, отраженных от ионосферы и испытавших по пути рассеяние на неоднородностях. Данные получены при когерентной обработке сигналов с малоэлементной приемной антенной решетки, с допплеровской фильтрацией и так называемых “карт неба” [10–13], полученных при работе ионозонда DPS-4 (ИЗМИРАН). Подробности структуры и режимов работы DPS-4 можно найти в [12, 13, 15]. Отметим здесь только самые существенные для исследования неоднородной структуры особенности данного аппарата [10]. При зондировании ионосферы, из-за наличия магнитного поля Земли, излученная антенной плоскополяризованная волна распадается на две эллиптически поляризованные волны. Это так называемые обыкновенная волна (О-волна) и необыкновенная волна (Х-волна). Они имеют различные показатели преломления и отражаются на разных высотах ионосферы. Обычно антенны ионозонда на земле принимают суперпозицию O- и Х-волн. DPS-4 может аппаратным образом выделять одну из них, обычно, O-поляризацию. Это улучшает соотношение сигнал/шум на стандартных ионограммах и упрощает их автоматическую обработку. В другом режиме работы DPS-4 выделение одной поляризации также позволяет получить более корректные оценки углового спектра отраженных от неоднородной ионосферы радиоволн, используемые нами для определения характеристик неоднородностей в ионосфере. В этом режиме при работе поочередно на 4 близких фиксированных частотах записываются амплитуды и фазы (точнее, квадратурные составляющие) с четырех разнесенных антенн. Принятый импульсный сигнал когерентно обрабатывается в 4 приемниках с разбивкой по 5 км ячейкам дальности. Для каждой ячейки дальности производится разбивка по доплеровским ячейкам, обычно шириной 0.05 Гц. Далее разность фаз используется для определения углов прихода, для каждой из ячеек матрицы дальность – доплеровская частота. Получаемую таким способом дискретную оценку углового спектра отраженных от ионосферы с рассеивателями радиоволн в DPS-4 представляют в виде “карты неба” (“SkyMaps” в англоязычном варианте). При интенсивном F-рассеянии, обычно в ночных условиях, на карте неба за один двухминутный сеанс могут отображаться сотни или более тысячи измерений углов прихода. Доплеровская частота легко пересчитывается в радиальную скорость рассеивателя. Теперь можно оценить полный вектор скорости группы рассевающих неоднородностей при некоторых простых предположениях. Пусть минимум три рассеивателя имеют одинаковый вектор скорости. Тогда для них можно записать несложные тригонометрические уравнения и исходя из комбинации данных радиальная скорость – углы прихода рассеянной волны однозначно получить все три составляющие вектора скорости для этой совместно перемещающейся тройки рассеивателей. Перебирая всевозможные тройки, можно получить набор распределение их скоростей и их среднее значение. Если измерений достаточно много, то можно оценить и дисперсию скоростей. Именно такая методика обработки “карт неба” встроена в алгоритм работы и математическое обеспечение ионозонда DPS-4. В дальнейшем она прошла проверку сравнением с одновременно полученными данными некогерентного рассеяния [14, 15]. В последние годы эта методика широко применяется в исследованиях среднемасштабных неоднородностей (http://www.digisonde.com/publications.html).

НАБЛЮДЕНИЯ

Полярный геофизический институт (ПГИ) методом радиопросвечивания ИСЗ много лет исследует F-область ионосферы над московским регионом с помощью наземного приемника в МГУ им. М.В. Ломоносова. Мы выбрали произвольный период: с января по март 2012 г. Первичные данные радиопросвечивания отобраны по критерию: величина минимального угла между лучом зрения “приемник–спутник” и магнитным полем не должна превышать 18°–20°. Иначе траектория ИСЗ находится далеко от приемника, из-за чего луч зрения “приемник–спутник” проходит больший путь в ионосфере, нарушая условие постоянства флуктуаций электронной плотности в просвечиваемом объеме, заложенное при выводе базовых математических соотношений в [16, 17]. Эти соотношения связывают дисперсию логарифма относительной амплитуды $\sigma _{\chi }^{2}$ волны, рассеянной на трехмерно-анизотропных неоднородностях, с параметрами α, β, Ψ_A этих рассеивателей. Схематично соотношения можно представить в виде [18]:

где z_u и z_d – нижняя и верхняя границы неоднородного слоя вдоль оси z в направлении от приемника к спутнику (в данной работе границами интегрирования являлись действующие высоты ионозонда DPS-4: от 210 до 435 км), $\sigma _{N}^{2}$ – дисперсия флуктуации плотности, R_F – радиус Френеля, θ(z) – угол между направлением “приемник–спутник” и магнитным полем, p – показатель степени, α, β, Ψ_A – параметры анизотропии.

Схематичное соотношение показывает, что изменения дисперсии уровня амплитуды $\sigma _{\chi }^{2}$ могут быть обусловлены тремя факторами:

1) пространственными изменениями дисперсии флуктуации плотности $\sigma _{N}^{2};$

2) пространственными изменениями параметров спектра неоднородностей α, β, Ψ_A, p;

3) поведением самой функции f в зависимости от геометрических факторов R_F и θ(z).

Эти три фактора могут действовать как по отдельности, так и в разных сочетаниях друг с другом. В простейшем случае, когда дисперсия флуктуаций плотности $\sigma _{N}^{2}$ и параметры спектра неоднородностей α, β, Ψ_A, p не меняются в пространстве и во времени, тогда изменения дисперсии уровня амплитуды $\sigma _{\chi }^{2}$ определяются только геометрическими изменениями функции f, зависящими главным образом от параметров анизотропии неоднородностей α, β, Ψ_A и взаимного расположения луча зрения и вектора магнитного поля – угла θ. Изменения радиуса Френеля являются медленно меняющейся функцией, и влияние этих изменений на поведение $\sigma _{\chi }^{2}$ незначительно. Угол θ можно рассчитать на основе модели магнитного поля. Следовательно, рассчитывая значения θ и подбирая теоретическую кривую, наилучшим образом согласующуюся с экспериментальной, можно определить параметры анизотропии мелкомасштабных неоднородностей α, β, Ψ_A.

Расчет $\sigma _{\chi }^{2}$ в [16, 17] сделан в рамках приближения Рытова [19], применимого только к слабым флуктуациям, когда $\sigma _{\chi }^{2} < 0.3$ (в среднеширотной ионосфере уровень флуктуаций редко превышает данное значение). Расчет $\sigma _{\chi }^{2}$ выполнен для степенного спектра неоднородностей электронной плотности с показателем спектра $0 < p < 4,$ определяемого по высокочастотной асимптоте амплитудного спектра экспериментальных данных. При расчете $\sigma _{\chi }^{2}$ моделью пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей в слабо возмущенной ионосфере является протяженный статистически однородный слой с $\sigma _{N}^{2} = {\text{const}}.$

Возвращаясь к экспериментальным данным, отметим: общее количество радиосеансов, удовлетворяющих критерию θ_min < 18°–20°, в период январь–март 2012 г. составило 150. Под “общим количеством” подразумеваются радиосеансы, записи которых содержат квадратуры (т.е. радиосеансы, записи которых содержат только аппаратурный шум или продолжительные потери радиосигнала, в “общее количество” не входят). Количество сеансов, когда в квадратурных компонентах радиосигнала наблюдались амплитудные флуктуации (преимущественно, в ночное время суток), составило 62. Количество радиосеансов, когда интенсивность амплитудных флуктуаций позволяла определить параметры анизотропии неоднородностей, составило 26. Из этого количества для 21 случая были получены одновременные данные о направлении дрейфа среднемасштабных неоднородностей. На двух примерах сопоставим значение ориентации поперечной анизотропии с направлением дрейфа и проанализируем результаты.

Рассмотрим случай 9 февраля 2012 г. Если рассчитать дисперсию логарифма относительной амплитуды радиосигнала ИСЗ и представить ее графически, то вблизи геомагнитного зенита наблюдается изолированный максимум (в 23:09 UT), образованный вследствие усиления амплитудных флуктуаций на мелкомасштабных неоднородностях (рис. 2а). Высота максимума в несколько раз превышает фоновый уровень, поэтому аппроксимация его теоретической функцией позволяет определить параметры анизотропии неоднородностей α, β, Ψ_A, они приведены в левом верхнем углу рисунка. Численные значения параметров α, β, Ψ_A определяются путем перебора их различных величин с целью минимизации различий между экспериментальной и теоретической кривыми. Ширина теоретического максимума зависит от величин α и β, а пространственное положение максимума – от значения Ψ_A. Исключение составляют траектории ИСЗ, для которых θ_min < 2° (т. н. зенитные пролеты): фланговые части графика функции $\tilde {\sigma }_{\chi }^{2}$ практически не меняются при изменении $\beta ,$ а пространственное положение максимума малочувствительно к изменению Ψ_A. Для случаев не зенитных пролетов доверительный интервал величины Ψ_A в данной работе составляет несколько градусов (на разных высотах в F-слое значение Ψ_A остается в пределах доверительного интервала); доверительный интервал величин α и β в данной работе не оценивался, поскольку они входят в математическое соотношение мультипликативным образом.

Параметры α, β, Ψ_A считаются постоянными в широтно-долготной области, занимаемой максимумом. В данном примере это область с центром ~55° с. ш., в дальнейшем называемая “область наблюдения мелкомасштабных неоднородностей”. Пунктир – график значений углов между перемещающимся спутником и магнитным полем в точке наблюдения с указанием минимального θ_min и максимального θ_max значений. Ионосферные условия в этот момент иллюстрирует ионограмма на рис. 2б.

Направление дрейфа (рис. 2в) для этого случая автоматически рассчитывается программным обеспечением DriftExplоrer, поставляемым с DPS-4. Усредненное по всем отражателям (среднемасштабным неоднородностям, которые показаны серыми точками), направление дрейфа показано стрелкой. Значение скорости дрейфа ν и его направление Ψ_Д относительно географического севера приведены в правом верхнем углу рисунка. Эти параметры рассчитаны для действующих высот H на частотах f, значения которых приведены в левом нижнем углу рисунка. Количество измерений углов прихода отраженных от неоднородной ионосферы радиоволн на этом рисунке – 1613. Положение области наблюдения мелкомасштабных неоднородностей показано эллипсом, большая ось которого соответствует ориентации поперечной анизотропии. Сопоставление значений Ψ_Д = 347° и Ψ_A = 143° ≡ 323° (очевидно, что, если к текущему значению прибавить 180°, результат аппроксимации не изменится) показало различие между ними ΔΨ = Ψ_A – Ψ_Д = –24°. Мы находим эту величину относительно небольшой, но полагаем, что сопоставление экспериментальных данных можно сделать с большей точностью, поскольку область наблюдения мелкомасштабных неоднородностей находится не в центре карты неба, а смещена к югу, где направление дрейфа может отличаться от усредненного значения, рассчитанного программным обеспечением DriftExplоrer.

С этой целью в работе [20] был разработан и реализован в виде программы новый метод расчета скорости и направления дрейфа среднемасштабных неоднородностей в наперед заданной локальной области. Программа получила название LocalDrift. Ее преимущество состоит в возможности выделять на карте неба интересующую область путем задания нужных углов прихода радиоволн и рассчитывать скорость и направление дрейфа максимально близко к области наблюдения мелкомасштабных неоднородностей, пространственное положение которой было различно в разных радиосеансах, согласно данным радиопросвечивания. Тестирование программы LocalDrift показало, что направление и скорость дрейфа, рассчитанные ею с использованием данных всей карты неба, совпадают с результатами программы DriftExplоrer.

На рис. 2г показано взаимное расположение области наблюдения мелкомасштабных неоднородностей и локальной области с ионосферными отражателями. Область с ионосферными отражателями (141 отражения) выбрана таким образом, чтобы количество измерений было одинаковым относительно центра области как в направлении “север–юг”, так и в направлении “запад–восток”. Параметры дрейфа, рассчитанные программой LocalDrift в области наблюдения мелкомасштабных неоднородностей и вокруг нее, приведены в правом верхнем углу рисунка. Согласно расчетам, направление дрейфа составляет Ψ_Д = = 127°, что существенно отличается от полученного ранее значения Ψ_Д. При этом различие ΔΨ между Ψ_А и Ψ_Д сократилось с ΔΨ = −24° до ΔΨ = = 16°. Отметим также, что скорость дрейфа в локальной области существенно превышает предыдущее значение, что позволяет доверять полученному результату.

При работе с DPS-4 были приняты все меры для улучшения точности измерения направления дрейфа неоднородностей (использовались 4 близкие фиксированные частоты, восьмикратное повторение измерений в одном цикле для увеличения статистики, селекция отражений по направлению для выделения нужной области). В результате, для программы LocalDrift авторы считают оптимистичной оценку доверительного интервала направления дрейфа ±5° азимута в хороших условиях при наличии широкого конуса рассеяния на карте неба. В случаях, когда F-рассеяние на ионограммах и картах неба слабо выражено или отсутствует, определение направления дрейфа может стать практически невозможным.

Сопоставление экспериментальных данных Ψ_A и Ψ_Д для всех 21 случаев сделано с использованием программы LocalDrift. На гистограмме различий Ψ_A – Ψ_Д (рис. 3), значения ΔΨ сгруппированы по интервалам с шагом 10°. Ось абсцисс – величина ΔΨ, ось ординат – количество случаев, значения ΔΨ которых находятся в данном интервале. Положительные значения оси Х означают, что величина Ψ_А больше величины Ψ_Д, отрицательные значения означают обратное. В 17 случаях значения ΔΨ находятся в интервале –30°…–20°. Это позволяет сделать вывод, что дрейф среднемасштабных неоднородностей может влиять на поперечную вытянутость мелкомасштабных неоднородностей. Однако в 4 случаях величина ΔΨ существенно больше, вплоть до ~90°. Эти случаи делятся на две категории: в одних случаях максимум дисперсии уровня амплитуды был расположен далеко от локального геомагнитного зенита, другие случаи относятся к так называемым “зенитным пролетам” ИСЗ, когда θ_min < 2°.

Рассмотрим один из зенитных случаев на примере 6 марта 2012 г. (рис. 4а) с наблюдением мелкомасштабных неоднородностей в 19:01 UT. При θ_min = 1° доверительный интервал определения величины Ψ_А составил ±35°, в то время как при θ_min > 2° он не превышал нескольких градусов. Для сопоставления с направлением дрейфа мы решили использовать этот случай, поскольку подобное сопоставление ранее не проводилось, и любой результат будет полезен в дальнейшем. Для центрального значения Ψ_А = 68° из интервала всех возможных направление дрейфа в обоих случаях составило Ψ_Д = 128° (рис. 4б и 4в) и различие Ψ_A–Ψ_Д составило ΔΨ = −60°, что не соответствует значениям ориентации поперечной анизотропии доверительного интервала. Таким образом, наблюдения мелкомасштабных неоднородностей в условиях зенитных пролетов либо следует отбраковывать, либо привлекать дополнительные экспериментальные данные, например, о направлении горизонтального ветра.

В данной работе использована малая часть от общего объема экспериментальных данных, полученных приемником в МГУ и ионозондом DPS-4 в ИЗМИРАН. Исследование параметров мелкомасштабных неоднородностей при различных геофизических условиях будет продолжено на большем экспериментальном материале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере 21 случая наблюдений, проведенных в январе–марте 2012 г. преимущественно в ночное время суток, параметры мелкомасштабных неоднородностей электронной плотности в F-области ионосферы над московским регионом исследованы двумя независимыми методами: методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ с их регистрацией наземным приемником (МГУ им. М.В. Ломоносова) и методом радиолокации с поверхности земли ионозондом DPS-4 (ИЗМИРАН). Анализ амплитудных флуктуаций, полученных методом радиопросвечивания, показал, что мелкомасштабные неоднородности являются анизотропными в поперечном геомагнитному полю направлении, и ориентация поперечной анизотропии различна в разных сеансах. Сопоставление с одновременными данными направления дрейфа среднемасштабных неоднородностей, полученными методом радиолокации и программой LocalDrift, показало, что в 17 из 21 случая различие между ориентацией поперечной анизотропии и направлением дрейфа находится в интервале –30°…–20°, где в 14 случаях интервал составляет –10°…–20°. Интерпретируя эту величину как малую, можно сделать вывод, что направление дрейфа среднемасштабных неоднородностей оказывает влияние на вытянутость мелкомасштабных неоднородностей перпендикулярно геомагнитному полю. Вопрос о физическом механизме такого влияния (т.е. о том, какой именно процесс играет главную роль в формировании мелкомасштабных неоднородностей – неустойчивость Рэлея–Тейлора, градиентно-дрейфовая неустойчивость или какая-либо другая) остается открытым.

Авторы благодарят инженеров лаборатории радиопросвечивания ПГИ за проведение экспериментальных работ и сотрудников кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ им М.В. Ломоносова за размещение приемного оборудования и обеспечение непрерывных наблюдений. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках темы государственного задания в сфере научной деятельности №№ 0227-2019-0001, 0852-2020-0015 и 01201356396, а также Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-52-25001_Кипр_а).