1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Космические исследования
  4. T. 59, № 3, 2021

Космические исследования, 2021, T. 59, № 3, стр. 191-195

Вариации параметров радиоволн в высокоширотной ионосфере Земли на трассах спутник–спутник во время геомагнитной бури 22–23.VI.2015

В. Н. Губенко 1, *, В. Е. Андреев 1, И. А. Кириллович 1, Т. В. Губенко 1, А. А. Павельев 1

1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Фрязино, Россия

* E-mail: vngubenko@gmail.com

Поступила в редакцию 14.02.2020
После доработки 12.04.2020
Принята к публикации 29.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе проанализированы результаты около 100 радиозатменных сеансов зондирования высокоширотной (>65° N) нижней ионосферы северного полушария Земли, которые были проведены 22–23.VI.2015 на несущей GPS-частоте 1545.42 МГц (диапазон L1) в эксперименте FORMOSAT-3/COSMIC. Корональные выбросы плазмы, дошедшие до Земли в этот период, спровоцировали магнитную бурю класса G4 (сильный геомагнитный шторм, планетарный Kp-индекс равен 8), которая в свою очередь вызвала значительные ионосферные флуктуации радиоволн на трассах зондирования: навигационные (GPS) спутники – низкоорбитальные (FORMOSAT-3/COSMIC) спутники.

1. ВВЕДЕНИЕ

Летом 2015 года (22–23.VI) на Солнце имели место корональные выбросы массы (КВМ) в сторону Земли (один гигантский и несколько небольших выбросов). Данное событие было зафиксировано многими космическими аппаратами и ионосферными станциями [1–4]. Наиболее мощный выброс был идентифицирован магнитометром, как скачок межпланетного магнитного поля (IMF) от ~10 до ~40 нТл, а также отмечен инструментом SWEPAM (Solar Wind Electron, Proton, and Alpha Monitor), как внезапное повышение плотности солнечного ветра с ~20 до ~45 частиц/см3 с соответствующим увеличением давления до значений свыше 50 нПа [1]. Столкновение КВМ с ударной волной ожидалось 22.VI.2015 в ~18.36 UT, после более слабого толчка в ~05.40 UT. Геомагнитные условия во время бури 22–23.VI.2015 (плотность, скорость и давление солнечного ветра; компоненты Bx, By, Bz межпланетного магнитного поля и угол вектора IMF) подробно представлены на рис. 1 работы [1]. Индекс Бойля, связанный с сильной южной компонентой вектора IMF [1, см. рис. 1d], посылал “желтый сигнал” тревоги в 06.04 UT и “красный сигнал” в 18.34 UT накануне столкновения КВМ с ударной волной.

Рис. 1.

Потоки рентгеновского излучения (левая панель), зарегистрированные 22–23.VI.2015 космическими аппаратами GOES-13 и -15, находящимися на геостационарной орбите, и оценки планетарного Kp-индекса (правая панель).

Корональные выбросы массы сопровождались мощными потоками рентгеновского излучения, что было зарегистрировано космическими аппаратами GOES-13 и -15, находящимися на геостационарной орбите (рис. 1, левая панель). Эти выбросы спровоцировали на Земле сильную магнитную бурю класса G4 (G4 = Kp – 4). На правой панели рис. 1 представлены оценки планетарного Kp-индекса за период 22–23.VI.2015, взятые из архива данных о космической погоде (URL: ftp:// ftp.swpc.noaa.gov/pub/warehouse/).

Целью работы является анализ радиосигналов диапазона L1 (частота 1575.42 МГц), излучаемых передатчиками спутников навигационной системы GPS и регистрируемых приемниками на борту низкоорбитальных спутников FORMOSAT-3/COSMIC, для определения параметров мелкомасштабной структуры высокоширотной ионосферы Земли на высотах от 50 до 110 км во время геомагнитной бури в июне 2015 года.

2. ОТБОР РАДИОЗАТМЕННЫХ СЕАНСОВ FORMOSAT-3/COSMIC

Радиозондирование атмосферы и ионосферы Земли по схеме спутник-спутник, когда применяются высокоорбитальный (GPS/ГЛОНАСС) и низкоорбитальный (LEO) спутники, проводились ранее в разных комбинациях, например: ГЕОСТАЦИОНАР – орбитальная станция МИР, GPS – MICROLAB, GPS – GRACE, GPS/ГЛОНАСС – МЕТОР, GPS – CHAMP, GPS – FORMOSAT-3/COSMIC и другие. По результатам анализа этих экспериментов имеется обширная литература [5–7]. Для получения оценок параметров мелкомасштабной структуры нижней ионосферы, во время упомянутой ранее геомагнитной бури, нами из большой базы данных FORMOSAT-3/COSMIC были отобраны около 100 радиозатменных сеансов измерений, проведенных в период с 22 по 23.VI.2015. Отобранные сеансы были выполнены на широтах от 65° N до 88° N и охватывали интервал высот 50–110 км.

В работах [5, 8, 9] показано, что существует связь между мощностью (РL) принимаемого на низкоорбитальном спутнике сигнала, рефракционным ослаблением мощности радиоволн (X) и ускорением (aψ) эйконала (фазового пути ψ):

(1)
$\begin{gathered} 1 - X\left( t \right) = m{{a}_{\psi }} = m \cdot {{d}^{2}}\psi {\text{/}}d{{t}^{2}},\,\,\,\,m = {{r}_{\psi }}{\text{/}}{{\left( {d{{p}_{0}}{\text{/}}dt} \right)}^{2}}, \\ {{r}_{\psi }} = {{L}_{L}} \cdot {{L}_{G}}{\text{/}}{{L}_{0}}, \\ \end{gathered} $
где р0 – прицельный параметр радиолуча, LL и LG – соответственно расстояния от приемника (L) и передатчика (G) до точки перигея луча, L0 – расстояние от передатчика до приемника по прямой [5]. На рис. 2 представлены два типичных высотных профиля нормированной мощности (Р) сигнала, измеренной накануне геомагнитной бури 22.VI.2015 спутником FORMOSAT-3/COSMIC-6, и рефракционного ослабления радиоволн (X), восстановленного из данных об эйконале с помощью выражения (1). Показанные на рис. 2 кривые были получены путем сглаживания экспериментальных данных методом скользящего среднего по 15 точкам. Для нахождения безразмерной величины P, мощность принятого на спутнике FORMOSAT-3/COSMIC-6 сигнала РL нормировалась на значение средней мощности радиоволн (Р0) на высотах более 300 км, т.е. P = РL/Р0. Над каждой частью рисунка указаны местное время проведения сеанса измерений, а также координаты (широта и долгота) зондируемого района. Можно видеть, что в представленных на рис. 2 профилях наблюдаются коррелированные по высоте квазипериодические вариации величин P(h) и X(h). Найдено, что коэффициент кросс-корреляции для этих вариаций на указанном интервале высот составляет не менее 50%.

Рис. 2.

Высотные профили нормированной мощности сигнала (Р), измеренные накануне геомагнитной бури 22.VI.2015 спутником FORMOSAT-3/COSMIC-6, и рефракционного ослабления радиоволн (X), восстановленные из измерений эйконала.

Хотя начало геомагнитной бури и не удается обнаружить из радиозатменных данных, однако с момента прохождения мощного потока рентгеновского излучения (рис. 1) флуктуации величин P(h) и X(h) в интервале 80–100 км высокоширотной ионосферы Земли увеличиваются. Отметим, что концентрация электронов Ne в ночные часы растет, становясь больше чем 105 см–3 (рис. 3 и 4).

Рис. 3.

Высотные зависимости нормированной мощности – P(h), рефракционного ослабления – X(h) и электронной концентрации – Ne(h), полученные по радиозатменным данным спутника FORMOSAT-3/COSMIC-6 22.VI.2015 в 21.22 LT в ионосферном районе.

Рис. 4.

Высотные зависимости нормированной мощности – P(h), рефракционного ослабления – X(h) и электронной концентрации – Ne(h), полученные по радиозатменным данным FORMOSAT-3/COSMIC 22.VI.2015 в 21.22 LT в ионосферном районе.

Из сравнения графиков на рис. 3 (панели (а) и (в)) можно видеть, что высотное положение максимума электронной концентрации в ионосферном слое практически совпадает с положением минимума рефракционного ослабления сигнала. Это соответствует результатам, полученным в работах [8–10], где было показано, что при радиозатменном зондировании спорадических E-структур (Es) в ионосфере Земли, когда вектор распространения параллелен плоскости ионизации Es-слоя, прохождение радиоволнами центральной его части (пик электронной плотности) приводит к сильной дефокусировке лучей, а при прохождении краев – к их фокусировке.

Как видно из данных, представленных на рис. 4, при радиозондировании района полярной шапки Земли (78.03° N; 96.65° E) на высотах от 101.5 до 90.3 км (луч опускается сверху вниз) мощность радиоволн дециметрового диапазона в среднем падает до уровня 0.1 (–10 дБ), затем возвращается к значению 0.5 (–3 дБ) и далее остается на этом же уровне. Радиозондирование другого района полярной шапки (78.1° N; 65.02° E) показало, что на высоте 89.5 км средний уровень сигнала опускается до значения 0.5 (–3 дБ) и далее держится на этом уровне (см. рис. 4). Анализ зависимостей X(h) на рис. 4 показывает, что средняя величина 〈X〉 равна 〈X〉 = 1 (0 дБ), т.е. рефракционное ослабление в интервале высот от 50 до 90 км практически отсутствует. Поэтому мы полагаем, что указанное выше ослабление мощности сигнала P(h), наблюдаемое в анализируемом интервале высот, может быть связано с поглощением радиоволн в нижней ионосфере Земли во время геомагнитной бури.

3. ПОГЛОЩЕНИЕ ДЕЦИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОГО ЧИСЛА СОУДАРЕНИЙ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

О небольшом поглощении (до –1 дБ) радиоволн, которое можно заметить в данных на GPS-частотах, было упомянуто в работе [6]. Наиболее характерными особенностями высокоширотной ионосферы (D-область) является специфическое поглощение радиоволн в полярной шапке (ППШ), обусловленное вторжением протонов с энергиями в десятки МэВ и аномальное авроральное поглощение, связанное с высыпаниями электронов. В периоды солнечных вспышек, направленных в сторону Земли, за счет резкого возрастания солнечного ионизирующего излучения, преимущественно в рентгеновском диапазоне возникают внезапные ионосферные возмущения (ВИВ), проявляющиеся в увеличении ионизации, главным образом, в D- и E-областях ионосферы. Авроральное поглощение радиоволн, часто наблюдаемое в зоне полярных сияний в периоды магнитосферных бурь и суббурь, связывают с высыпанием заряженных частиц (главным образом, электронов с энергиями 20–100 кэВ) из магнитосферы в нижнюю ионосферу Земли [11].

Поглощение сигналов диапазона L1 (частота 1575.42 МГц) наблюдалось очень ярко в двух радиозатменных сеансах измерений FORMOSAT-3/ COSMIC в ионосфере Земли (см. рис. 4). В одном из них ослабление мощности радиоволн достигало –10 дБ с возвратом на уровень –3 дБ, а в другом сеансе измерений составляло –3 дБ (рис. 4, панели (a)). Используя эти данные и следуя работе [12], можно определить вертикальный профиль коэффициента поглощения радиоволн (Z) и оценить эффективное число соударений электрона в единицу времени (ν) в нижней ионосфере Земли.

Поглощение радиоволн в нижней ионосфере обусловлено столкновениями электронов с ионами и нейтральными молекулами. Из-за этого часть энергии, сообщаемая электромагнитным полем электронам, расходуется на увеличении энергии хаотического движения частиц плазмы и приводит к ее нагреву. При каждом ударе электрон в среднем передает иону или молекуле импульс m·dr/dt, где dr/dt – упорядоченная скорость электронов под действием поля. Если ν – эффективное число соударений электрона в секунду, то за единицу времени его импульс меняется на величину m·ν·dr/dt. Изменение импульса за счет соударений эквивалентно действию некоторой силы трения.

Предполагая, что частота радиоволн ω = 2πf удовлетворяет неравенству ω2 ⪢ ν 2, авторы работы [12] получили следующую оценку коэффициента поглощения Z радиоволн:

(2)
$Z = \frac{{{{e}^{2}}{{N}_{e}}\nu }}{{{{\pi }}mc{{f}^{2}}}} = 2.70 \cdot {{10}^{{ - 3}}}\frac{{{{N}_{e}}\nu }}{{{{f}^{2}}}},\,\,\,\,[Z] = {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - 1}}},~$
где m – масса электрона, е – заряд электрона, с – скорость света, величина Ne выражена в см–3, ν – в с–1, f – в Гц. При распространении через ионосферу поток радиоволн испытывает поглощение и нормированная мощность сигнала P равна [12]:
(3)
$\begin{gathered} P = \exp \left[ { - \int\limits_{{{h}_{{\min }}}}^{{{h}_{{\max }}}} {Z{\text{ }}ds} } \right] = \\ = \exp \left[ {\frac{{ - 2.70 \cdot {{{10}}^{{ - 3}}}}}{{{{f}^{2}}}}\int\limits_{{{h}_{{\min }}}}^{{{h}_{{\max }}}} {{{N}_{e}}\nu ds} } \right].{\text{\;}} \\ \end{gathered} $
Здесь интегрирование производится по траектории зондирующего радиолуча. Как видно из формулы (2), для оценки параметра ν нужно знать вертикальный профиль коэффициента поглощения и распределение электронной концентрации по высоте. Для этого, в нашем распоряжении имеются профили Ne(h) (рис. 4, панели (в)), которые позволяют с помощью (3) решить обратную задачу и определить вертикальный профиль коэффициента поглощения радиоволн Z(h), а также оценить величину ν в нижней ионосфере Земли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проанализированы результаты около 100 радиозатменных сеансов зондирования высокоширотной (>65° N) атмосферы северного полушария Земли, которые были проведены 22–23.VI.2015 на несущей GPS-частоте 1545.42 МГц (диапазон L1) в эксперименте FORMOSAT-3/COSMIC. Установлено, что высотное положение максимума электронной концентрации в ионосферном слое практически совпадает с положением минимума рефракционного ослабления сигнала, что соответствует результатам, полученным ранее при радиозатменном зондировании спорадических E-слоев в ионосфере Земли.

На основе анализа радиозатменных измерений FORMOSAT-3/COSMIC, проведенных во время сильной геомагнитной бури 22–23.VI.2015 (класса G4), обнаружено поглощение радиоволн диапазона L1 в нижней высокоширотной ионосфере Земли. Величина поглощения составляет ~3 дБ в интервале 60–90 км, и в отдельных случаях достигает ~10 дБ на высотах от 90 до 95 км. Показано, что на основе полученных данных можно определить высотный профиль коэффициента поглощения Z радиоволн и оценить эффективное число соударений в секунду ν в нижней ионосфере Земли.

Работа выполнена в рамках государственного задания и частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект РФФИ № 19-02-00083 А) и Программой № 12 Президиума РАН.

Список литературы

  1. Reiff P.H., Daou A.G., Sazykin S.Y. et al. Multispacecraft observations and modeling of the 22/23 June 2015 geomagnetic storm // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 7311–7318. https://doi.org/10.1002/2016GL069154

  2. Baker D.N., Jaynes A.N., Turner D. et al. A telescopic and microscopic examination of acceleration in the June 2015 geomagnetic storm: Magnetospheric Multiscale and Van Allen Probes study of substorm particle injection // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 6051–6059. https://doi.org/10.1002/2016GL069643

  3. Astafyeva E., Zakharenkova I., Huba J.D. et al. Global Ionospheric and Thermospheric Effects of the June 2015 Geomagnetic Disturbances: Multi-Instrumental Observations and Modeling // J. Geophys. Res. 2017. V. 122. P. 1–27. https://doi.org/10.1002/2017JA024174

  4. Mansilla G.A. Ionospheric Response to the Magnetic Storm of 22 June 2015 // Pure and Applied Geophys. 2018. V. 175. P. 1139–1153. https://doi.org/10.1007/s00024-017-1741-5

  5. Яковлев О.И., Павельев А.Г., Матюгов С.С. Спутниковый мониторинг Земли: Радиозатменный мониторинг атмосферы и ионосферы. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2014.

  6. Горбунов М.Е. Радиозатменное зондирование атмосферы. М.: ГЕОС, 2017.

  7. Яковлев О.И., Матюгов С.С., Павельев А.А. Результаты исследования дневной полярной ионосферы методом затменного зондирования на трассах спутник-спутник // Известия вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 3. С. 194–204.

  8. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Kirillovich I.A., Liou Y.-A. Case study of inclined sporadic E layers in the Earth’s ionosphere observed by CHAMP/GPS radio occultations: Coupling between the tilted plasma layers and internal waves // Adv. Space Res. 2018. V. 61. № 7. P. 1702–1716. https://doi.org/10.1016/ j.asr.2017.10.001

  9. Gubenko V.N., Kirillovich I.A. Modulation of sporadic E layers by small-scale atmospheric waves in Earth’s high-latitude ionosphere // Solar-Terrestrial Physics. 2019. V. 5. № 3. P. 98–108. https://doi.org/10.12737/stp-53201912

  10. Zeng Z., Sokolovskiy S. Effect of sporadic E cloud on GPS radio occultation signal // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L18817. https://doi.org/10.1029/2010GL044561

  11. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.

  12. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Космические исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал