1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 59, № 5, 2019

Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 5, стр. 628-634

Оценка изменений параметров среднеширотной нижней ионосферы, вызванных солнечной вспышкой 10 сентября 2017 г.

Б. Г. Гаврилов 1, *, В. М. Ермак 1, Ю. В. Поклад 1, **, И. А. Ряховский 1, ***

1 Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН)
г. Москва, Россия

* E-mail: boris.gavrilov34@gmail.com
** E-mail: poklad@mail.ru
*** E-mail: ryakhovskiy88@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.04.2019
После доработки 20.05.2019
Принята к публикации 23.05.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изменение состояния D- и E-областей ионосферы приводит к вариациям амплитудно-фазовых характеристик радиосигналов ОНЧ-диапазона. Существующие теоретические и эмпирические модели распространения низкочастотных электромагнитных волн качественно описывают относительные изменения параметров нижней ионосферы, связанные с мощными гелиогеофизическими возмущениями, однако не позволяют оценить абсолютную величину и распределение электронной концентрации. В работе использованы данные измерений амплитудно-фазовых характеристик ОНЧ-радиосигналов с отличающимися частотами, распространяющихся по двум близко расположенным трассам. Это позволило не только количественно оценить параметры D-области ионосферы на пространственных масштабах в тысячи км во время мощной солнечной вспышки 10 сентября 2017 г., но и восстановить профиль электронной концентрации до начала воздействия рентгеновского излучения.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных задач современной геофизики является исследование ионосферных возмущений, вызванных высокоэнергетическими геофизическими событиями. При этом наименее изучены процессы, происходящие в нижней ионосфере, несмотря на то, что они могут оказывать существенное влияние на процессы в ионосфере в целом [Гаврилов и др., 2019]. Существующие теоретические, эмпирические и вероятностно-статистические модели (см., например, [Friedrich et al., 2018; Ferguson, 1995; Козлов и др., 2014]) в определенной степени описывают состояние D-области в различных гелиогеофизических условиях. При этом основным источником экспериментальных данных о параметрах нижней ионосферы является измерение ОНЧ-радиосигналов (3–30 кГц). Вариации их амплитудно-фазовых характеристик однозначно связаны с параметрами волновода Земля–ионосфера, и поэтому несут информацию об изменении профиля электронной концентрации на его верхней стенке в D-области ионосферы.

Как известно, солнечные вспышки [Mitra, 1974; Thomson et al., 2004], геомагнитные бури [Peter et al., 2006], протонные высыпания [Clilverd et al., 2006], гамма-вспышки [Tanaka et al., 2010], солнечные затмения [Klobuchar and Whitney, 1965; Singh et al., 2012], разряды молний [Rodger, 1999] и землетрясения [Hayakawa et al., 1996] могут приводить к изменению ионизации D-области ионосферы. Результаты многочисленных исследований [Thomson, 2010; Thomson et al., 2011] свидетельствуют о том, что изменение электронной концентрации в верхней стенке волновода во время рентгеновских солнечных вспышек приводит к существенным вариациям амплитудно-фазовых характеристик сигналов сверхдлинноволновых (СДВ) станций. Анализ вариаций этих параметров позволяет в принципе восстанавливать параметры ионосферы во время воздействия рентгеновского излучения вспышки и, с использованием определенных допущений, исходное состояние ионосферы.

Одним из способов описания D-области ионосферы является двухпараметрическая модель [Ferguson, 1995], в которой распределение электронной концентрации в нижней ионосфере определяется двумя параметрами: h' (км) – эффективная высота отражения радиосигнала и β (км−1) − скорость увеличения электронной концентрации (см−3) с высотой [Wait and Spies, 1964]:

(1)
$\begin{gathered} Ne\left( z \right) = 1.49 \times {{10}^{7}}\exp \left( {\beta - 0.15} \right) \times \\ \times \,\,\left( {z - h{\text{'}}} \right)\exp \left( { - 0.15h{\text{'}}} \right), \\ \end{gathered} $
где z – высота (км).

В рамках этой модели нами была разработана модифицированная методика восстановления параметров β и h' по амплитудно-фазовым характеристикам сигналов во время рентгеновских вспышек, использующая данные измерений параметров радиосигналов на двухчастотной трассе. Для восстановления параметров ионосферы в работе использованы данные измерений сигналов европейских СДВ-радиостанций в геофизической обсерватории ГФО Михнево (54.9° N, 37.8° E) Института динамики геосфер РАН.

2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Мониторинг вариаций электромагнитных полей КНЧ/ОНЧ-диапазона в ГФО Михнево ведется с использованием высокочувствительной широкополосной аппаратуры [Гаврилов и др., 2015] с 2014 г. Радиофизический комплекс обсерватории позволяет принимать сигналы от СДВ-станций, находящихся на расстояниях в несколько тысяч км от точки приема (рис. 1).

Рис. 1.

Расположение СДВ-передатчиков и ГФО Михнево.

Для анализа параметров ионосферы во время вспышек использовались данные регистрации сигналов от двух СДВ-передатчиков: GQD (22 100 Гц, 54.732° N, 2.883° E) и GBZ (19580 Гц, 54.912° N, 3.278° E), расположенных в Великобритании на расстоянии 32 км друг от друга. Выбор этих передатчиков обусловлен тем, что расстояние между ними пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до приемника (~2500 км). Поэтому можно считать, что их сигналы распространяются вдоль одной трассы.

Использование двухчастотной трассы позволило разрешить одну из проблем, возникающих при восстановлении параметров возмущенной рентгеновскими вспышками нижней ионосферы: неопределенность состояния спокойной (предвспышечной) ионосферы.

По экспериментальным данным оценивается изменение амплитуды и фазы ОНЧ-сигналов от обоих передатчиков во время вспышки. Затем с использованием программы LWPC [Ferguson, 1998] рассчитываются возможные значения амплитуды и фазы от этих передатчиков для различных значений β и h' по трассе. Экспериментальные данные сопоставляются с результатами расчетов, что позволяет оценить значения параметров β и h во время вспышки и до нее.

Исследования выполнены для вспышки X-класса 10 сентября 2017 г.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОЦЕНОК

На рисунке 2 показаны графики вариаций амплитуды и фазы сигналов от передатчиков GQD и GBZ и изменение потока рентгеновского излучения во время вспышки 10 сентября 2017 г. Штриховой вертикальной линией отмечено время начала вспышки t0 = 15:31:58 UT, а сплошной линией – время, когда наблюдался максимум плотности потока излучения вспышки t1 = = 16:06:30 UT в канале 1–8 Å.

Рис. 2.

Амплитуды (верхняя панель) и фазы (средняя панель) сигналов от станций GBZ (серая кривая) и GDQ (черная кривая), зарегистрированные во время солнечной вспышки 10 сентября 2017 г. Поток рентгеновского излучения вспышки по данным спутника GOES-15 (нижняя панель) в канале 0.5–4 Å (черная линия) и в канале 1–8 Å (серая линия).

Вариации параметров сигналов во время вспышки можно представить в виде:

$d{{A}_{i}}\left( t \right) = {{A}_{i}}\left( t \right) - {{A}_{i}}\left( {{{t}_{0}}} \right),\,\,\,\,d{{P}_{i}}\left( t \right) = {\text{ }}{{P}_{i}}\left( t \right) - {{P}_{i}}\left( {{{t}_{0}}} \right),$
где Ai и Pi − амплитуда и фаза сигналов станций GQD (i = 1) и GBZ (i = 2) в различные моменты времени. В табл. 1 приведены данные по изменению амплитуды и фазы сигналов для станций GQD и GBZ за период времени с t0 до t1.

Таблица 1.  

Изменение амплитуды и фазы сигналов от станций GQD и GBZ за время вспышки

Станции dAi(t1), дБ dPi(t1), рад
GQD (I = 1) 3.61   1.02
GBZ (I = 2) 2.61 0.5

Для восстановления параметров ионосферы нами использовалась программа LWPC, которая широко применяется для исследования условий распространения сигналов СДВ-диапазона в волноводе Земля–ионосфера. Программа позволяет рассчитать амплитуду и фазу сигнала в точке приема в зависимости от его частоты, координат передатчика и высотного профиля электронной концентрации на трассе распространения. В наших расчетах параметров сигналов с использованием LWPC принимается, что профиль электронной концентрации по трассе является изотропным. Были получены значения амплитуд и фаз сигналов от передатчиков GQD и GBZ для параметров верхней стенки волновода, которые варьировалось в диапазонах от 50 до 80 км (h') и от 0.2 до 0.95 км–1 (β). Результаты расчетов показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Поля возможных значений амплитуды Ai (β, h') (верхние панели) и фазы Pi (β, h') (нижние панели) сигналов СДВ-передатчиков GQD и GBZ для различных β и h', рассчитанных с использованием программы LWPC.

С использованием этих данных определялись начальные и конечные значения параметров ионосферы, при которых расчетное изменение амплитуд и фаз соответствовали зарегистрированным.

Данное условие может быть представлено в виде системы уравнений:

(2)
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left| {{{A}_{i}}\left( {{{\beta }_{1}},~h_{1}^{'}} \right) - {{A}_{i}}~\left( {{{\beta }_{0}},~h_{0}^{'}} \right) - d{{A}_{i}}~\left( {{{t}_{1}}} \right)~} \right| < \delta A} \\ {\left| {~{{P}_{i}}~\left( {{{\beta }_{1}},~h_{1}^{'}} \right) - {{P}_{i}}~\left( {{{\beta }_{0}},~h_{0}^{'}} \right) - d{{P}_{i}}~\left( {{{t}_{1}}} \right)} \right| < \delta P,} \end{array}} \right.$
где Ai (β0, $h_{0}^{'}$) и Pi (β0, $h_{0}^{'}$) − возможные значения амплитуды и фазы сигналов в момент времени t0, Ai (β1, $h_{1}^{'}$) и Pi (β1, $h_{1}^{'}$) – значения амплитуды и фазы сигналов в момент времени t1, а dAi (t1) и dPi (t1) – зарегистрированное изменение амплитуды и фазы для станций GQD (I = 1) и GBZ (I = 2).

Принятые значения δA = 0.12 дБ и δP = 0.06 рад примерно соответствуют точности определения амплитуды и фазы СДВ-радиосигнала по результатам измерений.

Область возможных значений параметров β0 и $h_{0}^{'}$ для невозмущенной ионосферы показана на рис. 4 (область 1). Было принято, что в начальный момент времени t0 значения этих параметров находятся в диапазонах 0.23 < β < 0.36 и 66 < h' < 77, а во время максимума вспышки t1 значения этих параметров β1 и $h_{1}^{'}$ лежат в диапазонах 0.34 < β < 0.8 и 54 < h' < 68 (область 2 на рис. 4).

Рис. 4.

Область значений параметров β и h', при которых амплитуда и фаза сигналов в начале и в максимуме вспышки удовлетворяют системе (2) (верхняя панель) и системе (3) (нижняя панель).

Отметим, что эти диапазоны существенно превышают диапазон значений параметров спокойной и возмущенной ионосферы. На рисунке 4а показаны найденные значения β и h', удовлетворяющие системе уравнений (2): β0 и $h_{0}^{'}$ − скоплением черных точек, β1 и $h_{1}^{'}$ − скоплением серых точек.

Среди полученных начальных и конечных значений β и h' были найдены такие значения, для которых вариации амплитуды и фазы за время от начала до максимума вспышки соответствует измеренным, т.е. удовлетворяют системе уравнений:

(3)
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left| {{{A}_{i}}\left( {{{\beta }_{t}},~h_{t}^{'}} \right) - {{A}_{i}}~\left( {{{\beta }_{0}},~h_{0}^{'}} \right) - d{{A}_{i}}~\left( t \right)} \right| < \delta A} \\ {\left| {~{{P}_{i}}\left( {{{\beta }_{t}},~h_{t}^{'}} \right) - {{P}_{i}}~\left( {{{\beta }_{0}},~h_{0}^{'}} \right) - d{{P}_{i}}~\left( t \right)} \right| < \delta P} \\ {{{t}_{0}} < t < {{t}_{1}}.} \end{array}} \right.$

Значения параметров β и h' в спокойных и возмущенных условиях, полученные в результате решения системы (3), показаны на рис. 4б скоплениями точек черного и серого цвета соответственно.

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Анализ результатов измерений и выполненных оценок показал, что вспышка привела к существенным изменениям состояния нижней ионосферы. Разработанная методика позволила восстановить параметры ионосферы, предшествующие вспышке. На рисунке 5 показаны зависимости параметров β и h' от потока рентгеновского излучения, полученные в нашей работе для вспышки X-класса 10 сентября 2017 г. (черные кривые), и значения тех же параметров, полученные в работах [Thomson, 2005; Basak and Chakrabarti, 2013] для ряда солнечных вспышек 2000–2011 гг. (серые кружки). В целом результаты оценок и расчетов близки. Незначительное расхождение между ними может быть обусловлено тем, что в реальных условиях состояние нижней ионосферы зависит от географического положения трассы и солнечно-зенитного угла.

Рис. 5.

Значения параметра β (верхняя панель) и параметра h' (нижняя панель) в зависимости от потока рентгена. Сплошными линиями показаны результаты, полученные в нашей работе, серыми кружками – результаты, полученные в работах [Thomson, 2005; Basak, Chakrabarti, 2013].

Наиболее существенным отличием нашей методики от подхода, использованного в работах [Thomson 2005, Basak and Chakrabarti, 2013] является то, в этих работах значения параметров спокойной (предвспышечной) ионосферы определялись по данным статистических и эмпирических моделей. В нашей работе значения параметров спокойной дневной ионосферы были получены путем анализа данных по изменению амплитудно-фазовых характеристик СДВ-сигналов на двухчастотной трассе во время вспышки.

Такой подход позволяет использовать параметры ионосферы, определенные в период рентгеновских вспышек, как дополнительный инструмент для восстановления профиля электронной концентрации невозмущенной D-области ионосферы.

Список литературы

  1. − Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Ляхов А.Н., Поклад Ю.В., Ряховский И.А. Коррелированные возмущения верхней и нижней ионосферы по данным синхронных измерений параметров сигналов ГНСС и радиосигналов ОНЧ-диапазона // Космич. исслед. Т. 57. № 1. С. 1–8. 2019.

  2. − Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Ряховский И.А., Поклад Ю.В., Ермак В.М. Удаленная регистрация КНЧ/ОНЧ излучения, вызванного экспериментами по искусственной модификации ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 55. № 4. С. 466−472. 2015.

  3. − Козлов С.И., Ляхов А.Н., Беккер С.З. Основные принципы построения вероятностно-статистических моделей ионосферы для решения задач распространения радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 54. № 6. С. 767–779. 2014.

  4. − Basak T., Chakrabarti S.K. Effective recombination coefficient and solar zenith angle effects on low-latitude D-region ionosphere evaluated from VLF signal amplitude and its time delay during X-ray solar flares // Astrophys. Space Sci. 2013.https://doi.org/10.1007/s10509-013-1597-9

  5. − Clilverd M.A., Seppala A., Rodger C.J., Thomson N.R., Verronen P.T., Turunen E., Ulich T., Lichtenberger J., Steinbach P. Modeling polar ionospheric effects during the October–November 2003 solar proton events // Radio Sci. 41. RS2001. 2006.https://doi.org/10.1029/2005RS003290

  6. − Ferguson J.A. Ionospheric model validation at VLF and LF // Radio Sci. V. 30. № 3. P. 775–782. 1995.

  7. − Ferguson J.A. Computer Programs for Assessment of Long-Wavelength Radio Communications, Version 2.0. Technical document 3030. Space and Naval Warfare Systems Center. San Diego. 1998.

  8. − Friedrich M., Pock C., Torkar K. FIRI-2018, an updated empirical model of the lower ionosphere // J. Geophys. Res. − Space. V. 123. P. 6737–6751. 2018.

  9. − Hayakawa M., Molchanov O.A., Ondoh T., Kawai E. The precursory signature effect of the Kobe earthquake on VLF subionospheric signals // J. Commun. Res. Lab. V. 43. P. 169−180. 1996.

  10. −Klobuchar J.A., Whitney H. E. Ionospheric electron content measurements during a solar eclipse // J. Geophys. Res. V. 70. P. 1254−1257. 1965.

  11. − Mitra A.P. Ionospheric effects of solar flares. Dordrecht: D. Reidel Publishing Co. 307 p. 1974.

  12. − Peter W.B., Chevalier M.W., Inan U.S. Perturbations of midlatitude subionospheric VLF signals associated with lower ionospheric disturbances during major geomagnetic storms // J. Geophys. Res. V. 111. A03301. 2006.https://doi.org/10.1029/2005JA011346

  13. − Rodger C.J., Red sprites, upward lightning, and VLF perturbations // Rev. Geophys. V. 37. P. 317−336. 1999.

  14. − Singh A.K., Singh R., Veenadhari B., Singh A.K.-Response of low latitude D – region ionosphere to the total solar eclipse of 22 July 20 09 deduced from ELF/VLF analysis // Adv. Space Res. V. 50. P. 1352–1361. 2012.https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.07.005

  15. − Tanaka Y.T., Raulin J.P., Bertoni F.C.P., Fagundes P.R., Chau J., Schuch N.J., Hobara Y., Terasawa T., Takahashi T. First very low frequency detection of short repeated bursts from magnetar sgr j1550–5418 // Astrophys. J. Lett. V. 721. P. 24–27. 2010.

  16. − Thomson N.R., Rodger C.J., Clilverd M.A. Large solar flares and their ionospheric D region enhancements // J. Geophys. Res. V. 110. A06306. 2005.https://doi.org/10.1029/2005JA011008

  17. − Thomson N.R., Rodger C.J., Clilverd M.A. Daytime D region parameters from long-path VLF phase and amplitude // J. Geophys. Res. V. 116. A11305. 2011.https://doi.org/10.1029/2011JA016910

  18. − Thomson N.R., Rodger C.J., Dowden R.L. Ionosphere gives size of greatest solar flare // Geophys. Res. Lett. V. 31. L06803. 2004.https://doi.org/10.1029/2003GL019345

  19. − Thomson N.R. Daytime tropical D region parameters from short path VLF phase and amplitude // J. Geophys. Res. V. 115. A09313. 2010.https://doi.org/10.1029/ 2010JA015355

  20. − Wait J.R., Spies K.P. Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves: NBS Technical Note, 300. 1964.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал