Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 3, стр. 355-364

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, что солнечные вспышки, пятна и т.п. вызывают в околоземном пространстве резкие изменения. Эти неблагоприятные изменения в виде магнитных бурь и суббурь влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем, например, радиосвязи, а, следовательно, и на распространения радиоволн. Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли.

К высокоширотной области относят ионосферу на геомагнитных широтах Ф ≥ 65°, включающих в себя авроральную зону (Ф ≈ 65°–75°) и полярную шапку (Ф ≥ 75°). Рассматриваемая область широт наиболее тесно связана с магнитосферой и протекающими в ней процессами, а через нее с солнечным ветром. Она в наибольшей степени подвержена возмущениям. Высыпания энергичных частиц из магнитосферы, существование интенсивных электрических полей магнитосферного происхождения, а также наличие полярного ветра являются главными особенностями высокоширотной ионосферы. Существует настоятельная потребность в анализе данных по всем возможным проявлениям солнечно-магнитосферно-ионосферных связей и их воздействию на распространяющиеся радиоволны в периоды возникновения суббурь и бурь. В первую очередь это касается высоких широт, поскольку здесь магнитные возмущения проявляются наиболее существенно и практически все время.

В высоких широтах ионосфера весьма неоднородна, поскольку она состоит, прежде всего, из различных крупномасштабных структур со свойственными им особенностями поведения (главный ионосферный провал, овал полярных сияний, полярная шапка и т.п.). Кроме того, высокоширотная ионосфера подвержена воздействию высыпающихся потоков частиц во время возмущений, электрических полей, ветров и т.д. Динамика ионосферы приводит к нарушению ее регулярной структуры и образованию мелкомасштабных неоднородностей и градиентов электронной концентрации. Неоднородности и градиенты при распространении радиоволн иногда приводят к изменению траектории волны в пространстве – вместо траектории вдоль дуги большого круга образуется новый путь сигнала (боковой), например, с отражением от градиентов ионизации или в результате рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Подобные боковые сигналы являются существенной помехой при приеме сигналов в системах радиосвязи, навигации и радиолокации. Поэтому их изучению необходимо уделять должное внимание. Ранее предпринимались неоднократные попытки исследования природы образования нестандартных мод распространения и условий их возникновения [Goodman and Ballard, 2004; Stocker et al., 2002; Hunsucker and Hargreaves, 2003; Milan et al., 1998; Vilella et al., 2009]. Так, в работе [Goodman and Ballard, 2004] исследовалось распространение ВЧ-радиоволн посредством Es-слоя с большими значениями Es МНЧ. В работе [Stocker et al., 2002] отмечается, что для высокоширотных трасс распространение вне дуги большого круга является нормальной особенностью. Согласно работе [Hunsucker and Hargreaves, 2003] с началом суббури область высыпаний, вызывающих ионосферные неоднородности, резко смещается к югу до широт 62°‒64° (the hard “drizzle” precipitation). В работе [Milan et al., 1998] изучалась степень уменьшения декаметрового диапазона частот МНЧ – ННЧ на четырех трассах во время магнитных бурь. Объяснение этому – уменьшение во время бури электронной концентрации в F-области. В работе [Vilella et al., 2009] отмечается необходимость учета свойств радиоаппаратуры в оценке значений ННЧ на трассах. Все перечисленное помогает лучше понять картину явлений. Однако для высоких широт полученных результатов, особенно для различной геомагнитной возмущенности, явно недостаточно.

В настоящей работе ставится задача рассмотреть особенности распространения ДКМ (декаметровых) волн по данным наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) на двух авроральных радиотрассах Диксон–Певек и Ловозеро–Певек во время слабо возмущенных (∑Kр = 13–) и сильно возмущенных (∑Kр = 28–) магнитных условий. Поставленный вопрос актуален, поскольку не все стороны процессов, связанных с геофизическими возмущениями в высоких широтах, к настоящему времени поняты и объяснены.

2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследований были использованы две ВЧ-радиотрассы Диксон–Певек длиной D = 2800 км и Ловозеро–Певек длиной D = 4200 км. Трассы являются высокоширотными и расположены в зоне полярных сияний, точнее ближе к поясу ионосферных неоднородностей, лежащему в южной части аврорального овала. Первая радиотрасса в спокойных условиях не испытывает воздействия полярного овала, а вторая – пересекает его дважды. При смещении овала во время возмущенного периода обе пересекают овал, но по-разному. Географические и геомагнитные координаты пунктов приема и передачи трасс можно видеть из таблицы. В ней также приведены координаты ст. Тикси, положение которой практически соответствует середине трассы Диксон–Певек. Геомагнитные данные этой станции будут нужны в дальнейшем анализе при оценке степени магнитной активности и уровня поглощения на трассах. Из таблицы 1 можно видеть, что все указанные в ней пункты лежат на близкой геомагнитной широте.

Рассматриваемые две радиотрассы снабжены аппаратурой наклонного зондирования ионосферы, которая позволяет находить основные характеристики распространяющихся радиоволн до частоты f_max = 30 МГц. К ним, в частности, высокоширотным, относятся: максимально наблюдаемые частоты при отражении сигналов от слоев F 2 (F2 МНЧ) и Es (Es МНЧ). Максимальная частота диффузных образований в слое F (FSpread) [Гершман и др., 1984]. Частота, на которой имеют место боковые сигналы, f_бок. Сеансы зондирования ионосферы производились каждые 15 мин.

3. МАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ В ОБЛАСТИ НАХОЖДЕНИЯ РАДИОТРАСС

Анализ данных распространения радиоволн на радиотрассах проводился за период двух суток – 07 и 08 февраля 2014 г. Первые сутки характеризуются слабо возмущенными геомагнитными условиями, поскольку для них значения Kр-индесов следующие: 0+, 0, 1, 1, 1+, 2+, 3–, 4 и ∑Kр = 13–. Видно, что начало суток характеризуется совершенно спокойными геомагнитными условиями, а к концу суток наблюдается рост степени возмущенности до умеренных значений. Вторые сутки, наоборот, характеризуются сильно возмущенными геомагнитными условиями. Для них значения Kр иные: 5–, 5–, 4, 2, 2+, 2, 4–, 4+ и ∑Kр = 28–. Здесь в начале и конце суток наблюдаются существенно возмущенные условия за счет суббурь, а в районе полдня наблюдается слабое геомагнитное возмущение. На рисунках 1 и 2 показаны в одном временнóм масштабе вариации АЕ-индекса, Н-компоненты магнитного поля и риометрических данных по поглощению (АА) для ст. Тикси соответственно для 07 и 08 февраля 2014 г. Выше отмечалось, что данные по ст. Тикси важны для оценки степени возмущенности на обеих радиотрассах. Что касается АЕ-индекса, то он, как известно, наиболее уместен для описания процессов в авроральной зоне. Из рисунка 1 можно видеть, что заметные магнитные вариации начались примерно с 10:00 UT. Небольшие суббури в 18:00 и 23:00 UT интенсивностью менее 200 нТл вызвали подъем уровня поглощения в эти часы по ст. Тикси до 0.35 дБ. Но это поглощение слабо и за ним ничего не последовало. Наибольшие вариации магнитного поля и поглощения имели место 08 сентября 2014 г. (рис. 2). Суббуря с 00:00 до 02:00 UT (АЕ_макс = 650 нТл) вызвала рост поглощения до АА_макс = 3.5 дБ. Второй рост магнитной активности начинается с 14:00 UT и до конца дня. Значения АЕ_макс = 800 нТл в 19:45 UT и Н_макс = 580 нТл в 20:00 UT приводят к росту поглощения АА_макс до почти 3 дБ в 20:00 UT. Уровни риометрического поглощения АА в 3 дБ и 3.5 дБ являются уже существенными и могут вызвать полное поглощение радиоволн утром и вечером рассматриваемых суток, что будет показано далее.

Рис. 1.

Вариации геофизических параметров для слабо возмущенного дня 07.02.2014 г.: (а) – АЕ-индекс; (б) – данные Н-компоненты магнитного поля для ст. Тикси; (в) – риометрические данные по поглощению для ст. Тикси.

Рис. 2.

Вариации геофизических параметров для сильно возмущенного дня 08.02.2014 г.: (а) – АЕ-индекс; (б) – данные Н-компоненты магнитного поля для ст. Тикси; (в) – риометрические данные по поглощению для ст. Тикси.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Динамика треков на ионограммах

Как указывалось выше, сеансы НЗИ на трассах проводились каждые 15 мин. Однако известно, что в высоких широтах весьма возможны существенные изменения того или иного параметра распространения ВЧ-радиоволн за время порядка 15 мин. Подобные изменения можно видеть в качестве примера на рис. 3. На нем представлены 15-мин ионограммы НЗИ для трассы Диксон–Певек (верхняя панель) и соответственно для трассы Ловозеро–Певек (нижняя панель). Необходимо отметить, что трассы Ловозеро–Певек и Диксон–Певек, как указывалось выше, имеют длину более 2000 км. На них односкачковое распространение посредством слоя Es невозможно, поскольку подобное распространение реализуется только для трасс, не превышающих 2000 км. Следовательно, на данных трассах могут существовать либо двухскачковые (трех и выше) моды за счет отражения сигнала от слоя Es, либо комбинированные моды типа М или N.

Рис. 3.

Ионограммы НЗИ через каждые 15 мин: (а) – на интервале 18:04–18:49 UTC 08.02.2014 г. на трассе Диксон-Певек; (б) – на интервале 07:02–07:47 UTC 07.02.2014 г. на трассе Ловозеро-Певек.

Например, первый скачок от слоя F2 и еще один скачок (второй) от слоя называется комбинированной модой типа N (F–E). Другой похожей модой, где первый скачок обязан слою F2 с дальнейшим отражением от слоя Es сверху и далее второй скачок от слоя F2, является мода типа М (F–E–F) [Davis, 1990]. Поэтому ниже под термином Es МНЧ будем подразумевать максимально наблюдаемую частоту для любой из указанных мод, образованных с участием слоя Es. Из первой ионограммы верхней панели рис. 3а видно два трека – один спорадический с параметрами (Т = = 9 мс, Es МНЧ = 17 МГц) и второй боковой с параметрами (Т = 12 мс, f = 20 МГц). На второй ионограмме возник диффузный трек с 1F2 МНЧ = = 19.5 МГц и уже два спорадических трека, боковой сместился на частоту f = 15 МГц. На третьей ионограмме существуют два спорадических трека и один за счет отражения от слоя F2, боковой сместился на частоту f = 10 МГц. На четвертой ионограмме можно видеть два спорадических трека, причем верхний стал диффузным, и трек за счет отражения от слоя F2, боковой трек исчез. На нижней панели б, первая ионограмма, здесь наблюдаются только диффузные треки, на второй ионограмме уже присутствует выраженный спорадический трек, на третьей ионограмме – несколько спорадических треков и, наконец, на четвертой ионограмме появился четкий трек за счет отражения от слоя F2 c 1F2 МНЧ = 14.5 МГц. Таким образом, из рассмотренных ионограмм можно видеть существенные вариации в характере треков при переходе от одной ионограммы к другой, то есть через каждые 15 минут условия распространения радиоволн изменяются.

На рисунках 4–7 представлены вариации параметров распространения по данным НЗИ на обеих исследуемых трассах. К параметрам, как указывалось выше, относятся: максимально наблюдаемые частоты при отражении сигналов от слоя F2 (F2 МНЧ) и от слоя Es (Es МНЧ). Максимальная частота диффузных образований за счет отражения от слоя F (FSpread). Частота, на которой имеют место боковые сигналы, f_бок. Необходимо отметить, что графики на рис. 4–7 построены по ежечасным, а не по 15-мин значениям параметра (для оптимизации восприятия).

Рис. 4.

Вариации параметров распространения по данным НЗИ на трассе Диксон-Певек для слабо возмущенного дня 07.02.2014 г.

Рис. 5.

Вариации параметров распространения по данным НЗИ на трассе Диксон-Певек для сильно возмущенного дня 08.02.2014 г.

Рис. 6.

Вариации параметров распространения по данным НЗИ на трассе Ловозеро-Певек для слабо возмущенного дня 07.02.2014 г.

Рис. 7.

Вариации параметров распространения по данным НЗИ на трассе Ловозеро-Певек для сильно возмущенного дня 08.02.2014 г.

4.4. Необычные треки на ионограммах

В процессе анализа ионограмм НЗИ на двух исследуемых трассах были обнаружены случаи не совсем обычных условий распространения радиоволн. Это естественно ожидать, поскольку трассы проходят в авроральном овале. Под необычными подразумеваются случаи ионограмм НЗИ, резко отличающихся по структуре треков или возможности интерпретации параметров распространения от обычных ионограмм. Подобных случаев немного (несколько процентов), но они интересны своей необычностью. На рисунках 8а–8е показаны примеры таких ионограмм.

Рис. 8.

Примеры ионограмм с необычными треками сигналов на трассах: (а–е).

а) Из ионограммы можно видеть отражение сигнала от мощного спорадического слоя с Es МНЧ > 30 МГц, что случается достаточно редко. Слой настолько интенсивный, что блокирует отражения от слоя F2. Например, согласно рис. 4 с 12:00 до 15:00 UT значения Es МНЧ довольно высоки и в 12:00 UT отражение сигналов от слоя F2 отсутствует, как и для ионограммы (а) рис. 8 в 12:34 UT. Возможно, что появление мощных слоев Es связано с началом роста магнитного возмущения после 12:00 UT.

б) Здесь на ионограмме можно видеть первый, нормальный, трек за счет отражения от слоя Es и второй, очень диффузный, от слоя F2. Диффузность настолько высока, что невозможно точно определить параметры трека, в частности, 1F2 МНЧ. Характерно, что подобная сильная диффузность зарегистрирована на трассе Диксон–Певек для слабо возмущенного дня 07 февраля 2014 г. в 16:49 UT, когда в данное время, согласно рис. 1, магнитная активность очень слаба, но момент 16:49 UT расположен за ~1 ч до развития суббури с интенсивностью порядка 200 нТл. Последнее обстоятельство и может быть причиной возникновения диффузности.

в) Ионограмма демонстрирует интенсивное боковое отражение от ионосферной неоднородности на частоте f = 17 МГц. Время появления этого сигнала соответствует сильно возмущенному периоду 08 февраля 2014 г. (рис. 2) – развитию мощной суббури по АЕ-индексу в 23:00 UT c АЕ_макс = 900 нТл. Данный боковой сигнал достаточно диффузен, что говорит о высокой степени магнитной возмущенности в это время.

г) На ионограмме показан пример перемещающегося ионосферного возмущения (ПИВ). На луче Педерсена виден зигзаг на частоте  f = 17.5 МГц. Зигзаг соответствует ПИВ. Он, вообще говоря, может появиться в любом месте верхней части основного трека и даже на треке двухскачкового отражения. За рассматриваемый период 07–08 февраля 2014 г. наблюдалось несколько случаев ПИВ, в основном, на трассе Диксон–Певек в утренние часы.

д) Ионограмма иллюстрирует очень необычный трек при отражении сигнала от спорадического слоя Es. Его необычность заключается в следующем. На следе с задержкой Т = 14.8 мс присутствуют две области с лучом Педерсена. Первая область расположена на частоте f = 15 МГц и вторая на частоте f = 19.5 МГц. Наличие луча Педерсена свидетельствует о том, что слой Es толстый и вызывает групповую задержку. Но в обычных условиях групповая задержка возникает на конце следа и один раз. Здесь мы имеем на одном треке две групповые задержки. Следовательно, имеет место необычность в строении самого слоя, которая и является причиной двух групповых задержек. Скорее всего, слой Es состоит из двух достаточно толстых слоев, расположенных друг над другом. Каждый из двух слоев вызывает групповую задержку.

е) На последней ионограмме представлен пример с многолучевостью на трассе. Первые два трека с задержками Т = 14.9 мс и Т =15.1 мс по своей форме являются отражениями от спорадического слоя Es. Трек с Т = 15. 3 мс имеет групповую задержку на конце. Чему этот трек обязан – не совсем понятно. Возможно, это M или N мода. Четвертый трек с Т = 15.8 мс скорее всего есть одно отражение от слоя F2, но имеет странную форму. Пятое отражение с Т = 17 мс – двойное отражение от слоя F2. И шестое слабое отражение с Т = 17.8 мс есть боковой сигнал.

Таким образом, на радиотрассах, особенно во время магнитных возмущений, фиксируются ионограммы с необычной формой треков, которые интерпретировать сложно или не всегда удается.

5. ВЫВОДЫ

В результате анализа ионограмм наклонного зондирования на двух авроральных радиотрассах для разной степени магнитной возмущенности (первый день слабое возмущение, второй – сильное) получены следующие закономерности в поведении главных параметров распространения:

– 1F2 МНЧ. Для обеих трасс: общий уровень значений 1F2 МНЧ за сильно возмущенный день выше, чем за слабо возмущенный день. Это, скорее всего, вызвано ростом уровня ионизации в слое F2 в возмущенный день. Но во время суббурь значения 1F2 МНЧ либо малы, либо отсутствуют за счет повышенного поглощения.

– Es МНЧ. На трассе Диксон–Певек имеет место рост спорадической ионизации на уровне слоя Е во время возмущенного периода. Причина – рост интенсивности высыпания частиц в авроральном овале. Во время суббурь в начале и конце возмущенного дня значения Es МНЧ тоже выше, чем для соответствующих часов слабо возмущенного дня. На трассе Ловозеро–Певек в слабо возмущенных условиях за сутки зафиксировано 17 случаев Es-отражений, а во время сильных возмущений этих случаев всего 9. Причина – трасса может в возмущенных условиях выйти из кольцевой области сосредоточения спорадических слоев. Следовательно, вероятность появления Es-отражений на трассе упадет.

– F2Spread. Для трассы Диксон–Певек диффузность в слое F2 наиболее характерна для возмущенного периода, чем для спокойного. Для трассы Ловозеро–Певек наоборот. Это, скорее всего, можно объяснить выходом трассы из зоны с мелкомасштабными ионосферными неоднородностями за счет смещения этой зоны к югу во время сильного магнитного возмущения.

– Боковые отражения. На трассе Диксон–Певек фиксируются на ионограммах НЗИ достаточно редко – чаще в слабо возмущенных условиях. Возможно, это связано со смещением структур, вызывающих боковые отражения, к югу во время сильных возмущений. На трассе Ловозеро–Певек в слабо возмущенный день боковых крайне мало, а в возмущенный день они вообще отсутствуют. Здесь причина та же, что была отмечена для трассы Диксон–Певек.

– На рассмотренных ионограммах можно видеть существенные вариации в характере треков при переходе от одной ионограммы к другой, т.е. через каждые 15 мин условия распространения радиоволн изменяются.

– На радиотрассах, особенно во время магнитных возмущений, иногда фиксируются ионограммы с необычной формой треков, которые интерпретировать сложно или не всегда удается.

– Выборочный контроль показывает, что в спокойное время модель IRI + GDMF2 на трассах дает удовлетворительное совпадение расчетов и эксперимента.