1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 63, № 2, 2023

Геомагнетизм и аэрономия, 2023, T. 63, № 2, стр. 154-162

Влияние освещенности трасс на амплитудные характеристики сигналов СДВ-диапазона

Е. Н. Козакова 1, 2, *, И. А. Ряховский 1, **, Ю. В. Поклад 1, ***, Б. Г. Гаврилов 1, ****, В. М. Ермак 1, *****, Н. С. Ачкасов 1, ******

1 Институт динамики геосфер им. акад. М.А. Садовского РАН (ИДГ РАН)
Москва, Россия

2 Московский физико-технический институт (МФТИ)
Долгопрудный, Россия

* E-mail: ekaterinamakh20@gmail.com
** E-mail: ryakhovskiy88@yandex.ru
*** E-mail: poklad@mail.ru
**** E-mail: boris.gavrilov34@gmail.com
***** E-mail: ermakvladimir@mail.ru
****** E-mail: nsachkasov@yandex.ru

Поступила в редакцию 15.10.2021
После доработки 30.09.2022
Принята к публикации 28.11.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Обсуждается влияние освещенности трассы на амплитуду сверхдлинноволновых радиосигналов при прохождении солнечного терминатора. На основе многолетних измерений (с 2014 по 2020 г.) показано, что в зимний период резкое падение амплитуды сигнала на среднеширотных трассах происходит уже при освещении 15% длины трассы. Анализ вариаций амплитуды сверхдлинноволновых сигналов также позволил оценить высоту их отражения от верхней стенки неосвещенной части волновода hN (D – область ионосферы) и выявить сезонные и годовые вариации этой величины. Экспериментально обнаружен тренд увеличения hN примерно на 4 км за семь лет, вызванный спадом солнечной активности в этот период.

1. ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитное излучение очень низкочастотного диапазона (ОНЧ, 3‒30 кГц) распространяется в волноводе Земля‒ионосфера на расстояния в десятки тысяч километров с ослаблением в несколько дБ [Cummer, 1997]. В [Wait and Spies, 1964; Mitra, 1974] показано, что гелиогеофизические процессы (солнечные вспышки, магнитные бури, протонные и электронные высыпания, положение терминатора) оказывают существенное влияние на профиль электронной концентрации в нижней ионосфере, что приводит к значительным изменениям амплитуды и фазы сигналов свердлинноволнового (СДВ) диапазона (верхняя граница волновода находится в D-области ионосферы). Наблюдаются устойчивые суточные и сезонные вариации и их зависимость от солнечной активности.

В суточных вариациях амплитуды ОНЧ-сигналов наблюдается выраженные минимумы во время прохождения утреннего и вечернего солнечного терминатора через трассу распространения сигнала [Samanes et al., 2015]. Время появления наблюдаемых минимумов и их количество зависит от широты трассы, ее длины и ориентации по отношению к линии терминатора и определяется интерференцией различных мод распространения радиосигнала в изменяющемся волноводе [Meara, 1973; Lynn, 2010].

Исследованию влияния положений солнечного терминатора на трассе, определяющих появление минимумов амплитуды сигналов, посвящено значительное количество работ. В [Samanes et al., 2015; Šulić et al., 2015; Chand and Kumar, 2017] показана возможность использования амплитудно-фазовых характеристик сигналов СДВ-станций для оценки модального интерференционного расстояния DMS (расстояния между положением терминатора в моменты наблюдения минимумов сигнала). Šulić et al., [2015], основываясь на измерениях параметров ОНЧ-сигналов на среднеширотных европейских трассах пришли к заключению, что появление амплитудных минимумов может наблюдаться, когда линия утреннего терминатора достигает высоты 95 км. Если это происходит в середине трассы, создаются условия для появления первого минимума амплитуды и перехода фазового уровня сигнала от значения, характерного для ночного времени, к уровню, типичному для дневных условий. Crombie [1964] показал, что на трассе запад–восток во время восхода солнца наблюдался глубокий минимум амплитуды сигнала, когда линия терминатора находилась близко к передатчику. Эти наблюдения противоречат данным Walker [1965], где на основе результатов изучения параметров сигналов на экваториальных трассах показано, что минимум сигнала, связанный с утренним терминатором, наблюдается, когда линия тени находится почти над приемником, в то время как минимум, связанный с вечерним терминатором, продолжается в течение приблизительно 2 ч после того, как линия тени прошла над излучателем. Вопрос о влиянии положения терминатора и соотношения длины освещенного солнцем участка трассы к длине неосвещенного волновода на время появления минимумов амплитуды сигнала для конкретных трасс является важным с точки зрения прогнозирования условий распространения неискаженного ОНЧ-радиосигнала. В настоящей работе делается попытка прояснить вопрос об изменении амплитуды ОНЧ-сигналов во время прохождения утреннего терминатора на среднеширотных трассах существенно разной длины с использованием результатов семилетних наблюдений в геофизической обс. ИДГ РАН Михнево.

Использование амплитудно-фазовых характеристик сигналов СДВ-станций для оценки модального интерференционного расстояния DMS дает возможность также оценить высоту неосвещенной части волновода hN [Crombie, 1964; Crombie 1966] – параметр, в значительной степени определяющий условия распространения ОНЧ-радиосигналов. В работах [Samanes et al., 2015; Chand and Kumar, 2017] этот вопрос рассматривался для экваториальных и субэкваториальных трасс, где взаимная ориентация пути распространения радиосигнала и линии тени для утреннего и вечернего терминатора не подвержена существенным сезонным вариациям. Использование ОНЧ-излучения от молниевых разрядов позволило [Han and Cummer, 2010] оценить высоту неосвещенной части волновода для среднеширотной ионосферы. Среднее значение этой величины за июль и август 2005 г. составило 84.9 ± 1.1 км. В [Šulić et al., 2016] подробно рассмотрено воздействие различных геофизических факторов на амплитудные и фазовые характеристики ОНЧ-/ОНЧ-радиосигналов, полученные в результате мониторинга на среднеширотных европейских трассах. Однако влияние изменения положения и ориентации линии солнечного терминатора на параметры радиосигналов в работе не исследовалось. Большой объем экспериментальных данных по вариациям амплитудно-фазовых характеристик сигналов ОНЧ-диапазона, зарегистрированных в ГФО Михнево позволил сделать соответствующие оценки для среднеширотных трасс.

2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

В ГФО Михнево (54.9° N, 37.7° E) ведется непрерывная регистрация амплитудно-фазовых характеристик электромагнитных сигналов от СДВ-станций, расположенных по всему миру [Gavrilov et al., 2019]. Прием сигналов осуществляется с использованием рамочных антенн “Плутон”, обладающих чувствительностью 0.4–0.5 фТл/√Гц в диапазоне частот от 0.8 до 50 кГц [Ryakhovskii, 2021].

Для анализа динамики высоты неосвещенной части волновода нами использованы данные регистрации амплитуды сигналов от СДВ-передатчиков NAA и GBZ с 2014 по 2020 года. Передатчик GBZ расположен в Великобритании (54.91° N, 3.28° W) и работает на частоте 19.6 кГц, передатчик NAA расположен в США (44.65° N, 67.28° W) и работает на частоте 24 кГц. Схема расположения передатчиков GBZ и NAA и приемника в ГФО Михнево показана на рис. 1. Протяженность трассы от передатчиков NAA и GBZ до обс. Михнево составляет 6914 км и 2590 км соответственно.

Рис. 1.

Схема расположения СДВ-станций GBZ, NAA и ГФО Михнево. Пунктирными линиями обозначены трассы распространения сигнала.

В работах [Samanes et al., 2015; Šulić et al., 2015; Chand, Kumar, 2017] подробно исследуются вариации амплитуды сигнала после ее изменения, связанного с прохождением терминатора. Измерения в ГФО Михнево обеспечили значительный объем экспериментальных данных по вариациям параметров СДВ-сигналов на среднеширотных трассах и позволили определить сам момент резкого падения амплитуды радиосигнала и отвечающие ему положение и ориентацию терминатора, исследовать динамику изменения моментов времени, соответствующих минимумам амплитуды сигналов t1, t2, t3, и значение интерференционного расстояния DMS для среднеширотной трассы.

На рисунке 2 показан пример суточного хода изменения амплитуды сигнала от передатчика GBZ. Начиная с момента времени t0 (вертикальная пунктирная линия), наблюдается резкое снижение амплитуды, связанное с изменением освещенности нижней ионосферы при прохождении через трассу утреннего терминатора. На рис. 3 показаны кривые зависимости момента времени t0 (черной кривой показаны медианные значения) от дня года за период с 2014 по 2020 г.

Рис. 2.

Пример суточного хода амплитуды сигнала от ст. GBZ 1 января 2015 г., t0 – момент времени, начиная с которого наблюдается резкое снижение амплитуды сигнала (вертикальная пунктирная линия).

Рис. 3.

Зависимости момента времени t0 от дня года за период с 2014 по 2020 г.

Для исследования вопроса о том, изменение освещенности какой части трассы является определяющим для искажения сигнала, был рассчитан параметр Ko= Lсв/Lт, представляющий собой отношение длины освещенной части трассы Lсв к длине участка трассы, находящейся в тени Lт. Зависимость параметра Ko от дня года для всего периода наблюдений для трассы GBZ–“Михнево” показана на рис. 4а. Различие результатов для зимнего и летнего периодов обусловлено изменением ориентации терминатора по отношению к трассе распространения сигнала (рис. 4б, 4в) – ситуация характерная именно для среднеширотных трасс. Из рис. 4 видно, что резкое падение амплитуды сигнала на среднеширотной трассе GBZ–Михнево в зимнее время происходит уже при освещении 15% длины трассы, в летний период значение величины Ko может достигать 46%.

Рис. 4.

Параметр освещенности на трассе GBZ– Михнево. Вариации параметра К0 трассы GBZ на высоте 70 км в момент времени t0, начиная с которого наблюдается резкое снижение амплитуды сигнала (а). Положение утреннего терминатора 30 января 2015 г. (t0 = 04:44 UT) (б). Положение утреннего терминатора 26 июня 2015 г. (t0 = 00:13 UT) (в).

Как было показано в работах [Crombie, 1964; Crombie 1966] данные по изменению амплитуды сигналов СДВ-станций, расположенных на достаточном удалении от приемника, могут быть использованы для оценки высоты отражения радиосигнала на неосвещенной части волновода Земля‒ионосфера. Непосредственное измерение ночного профиля электронной концентрации в D–E областях ионосферы представляет собой сложную экспериментальную задачу, и возможность независимой оценки этого параметра по данным изменения амплитуды ОНЧ-радиосигнала представляется крайне важной.

На рисунке 5а показан типичный суточный ход изменения амплитуды сигнала от станции NAA. Положение линии терминатора на трассе NAA–Михнево в моменты времени t1, t2 и t3 схематически представлено на рис. 5б. Ступенчатое изменение высоты волновода при прохождении утреннего терминатора вызвано повышением электронной концентрации на освещенной части трассы.

Рис. 5.

Связь амплитудных характеристик сигнала на трассе NAA – Михнево с положением утреннего терминатора. Пример суточного хода амплитуды сигнала (а). Схема положения утреннего терминатора в моменты времени t1, t2, t3 (б).

В [Chand, Kumar, 2017; Samanes, 2015] показано, что для оценки модального интерференционного расстояния DMS необходимо наличие двух или более минимумов в амплитуде сигнала. Для оценки значения DMS в [Samanes et al., 2015] используются следующие соотношения:

(1)
$\left[ \begin{gathered} {{D}_{{MS}}} = \frac{{{{D}_{{12}}} + {{D}_{{23}}}}}{2} \hfill \\ {{D}_{{12}}} = {{d}_{1}} - {{d}_{2}} \hfill \\ {{D}_{{23}}} = {{d}_{2}} - {{d}_{3}}, \hfill \\ \end{gathered} \right.$
где di – длина неосвещенной части трассы в моменты времени ti.

Из рисунка 6 видно, что время появления минимума амплитуды сигнала имеет очевидную сезонную зависимость, что связано с периодичностью изменения ориентации и времени прохождения терминатора в течение года.

Рис. 6.

Связь модального интерференционного расстояния на трассе NAA–Михнево с временем наблюдения минимумов сигналов с 2014 по 2020 г. Время появления минимумов сигналов t1, t2, и t3 (а). Модальное интерференционное расстояние DMS (б).

Значительное различие между первым и вторым $\Delta {{t}_{{12}}}$ и вторым и третьим $\Delta {{t}_{{23}}}~$ интервалами времени обусловлено неравномерной скоростью распространения линии терминатора вдоль среднеширотных трасс. На экваториальных и субэкваториальных трассах, где скорость терминатора вдоль трассы равномерна, временны́е интервалы между минимумами примерно одинаковы [Samanes, 2017; Chand, Kumar, 2016; Samanes, 2015].

Среднее значение модального интерференционного расстояния DMS для трассы NAA–Михнево соответствует величине 2000 км. В работе [Chand and Kumar, 2016] для субэкваториальной трассы NLK (24.8 кГц, 48.203° N, 121.917° W) – Suva (18.149°S, 178.446° E) среднее значение DMS составило 2513 ± 113 км. Отличие наших результатов от данных [Chand and Kumar, 2016] обусловлено разным положением трасс и частот передатчиков.

Соотношение, связывающее модальное интерференционное расстояние DMS с высотой неосвещенной части волновода hN, впервые было получено в работе [Crombie, 1966]:

(2)
${{D}_{{MS}}} = \frac{{4h_{N}^{2}}}{\lambda },$
где hn – высота неосвещенной части волновода, км; $\lambda $ – длина волны, км.

С использованием этого выражения, были рассчитаны годовые вариации hN на трассе NAA‒ “Михнево” (рис. 7). На нижней панели рис. 7 показано изменение потока солнечного излучения в линии Лайман-α c 2014 по 2020 г., рассчитанного по данным (https://lasp.colorado.edu/lisird/). Наблюдается периодическое изменение высоты неосвещенной части волновода, связанное с сезонным изменением естественной освещенности Земли, и общий тренд увеличения hN примерно на 4 км за семь лет. Тренд, по-видимому, связан с изменением профиля электронной концентрации в нижней ионосфере, вызванным спадом солнечной активности в этот период.

Рис. 7.

Связь высоты неосвещенной части волновода с 11-летним циклом солнечной активности. Вариации высоты неосвещенной части волновода hN для трассы NAA–Михнево (а). Поток солнечного излучения в линии Lyman-α (б).

Спектральный анализ вариаций высоты неосвещенной части волновода за период с 2014 по 2020 года позволил выявить характерные периодичности – ярко выраженные пики с периодом 365, 120 дней и более низких частот (рис. 8). В [Samanes, 2017] и ссылках к этой работе показано, что спектральный анализ временнóй эволюции высоты отражения радиосигналов демонстрирует очевидную периодичность этого параметра. Доминируют годовые и полугодовые периоды. В то же время в работах [Takahashi et al., 1995; Huang et al., 2006] указывается на наблюдение осцилляций интенсивности и температуры свечения в ионосфере и на других частотах, в том числе близких к наблюдаемому в наших экспериментах периоду 120 дней. Вопрос о природе наблюдаемых пиков вариаций высоты отражения требует специального рассмотрения, которым будет посвящены дальнейшие исследования.

Рис. 8.

Амплитудный спектр значений высоты неосвещенного волновода.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Известно, что анализ изменения параметров радиосигналов КНЧ-НЧ диапазонов, распространяющихся в волноводе ионосферы, является эффективным инструментом исследования влияния различных гелиогеофизических факторов (солнечные вспышки, магнитные бури, протонные и электронные высыпания, положение терминатора) на состояние и динамику нижней ионосферы [Wait and Spies, 1964; Mitra, 1974]. Изучение вариаций параметров сигнала при изменении состояния верхней стенки волновода, связанным с прохождением по трассе распространения солнечного терминатора, является одним из методов, позволяющих прогнозировать и учитывать суточные вариации условий распространения радиосигналов.

Изменения амплитуды и фазы ОНЧ-радиосигналов и пространственно-временнóе распределение минимумов амплитуды на экваториальных и субэкваториальных трассах достаточно подробно исследованы [Crombie, 1964; Crombie, 1966; Walker, 1965; Maurya et al., 2014; Desanka et al., 2010]. Изучению этих процессов на среднеширотных трассах уделялось гораздо меньше внимания. Анализ вариаций параметров ОНЧ-сигналов на среднеширотных трассах выявил их существенное отличие от вариаций сигналов на низкоширотных трассах, что связано с различной динамикой и ориентаций солнечного терминатора на разных широтах. Проведение таких исследований обеспечивалось наличием уникальных данных по измерению и анализу характеристик ОНЧ-радиосигналов, непрерывно наблюдаемых в ГФО Михнево с 2011 г.

Важный аспект проведенных исследований связан с определением влияния на параметры сигналов ориентации солнечного терминатора и соотношения длин освещенного и неосвещенного участков трассы. Анализ результатов измерений показал, что для среднеширотных трасс момент резкого снижения амплитуды сигнала в зимний период отмечается уже при освещенности ~15% длины трассы. Этот параметр испытывает значительные сезонные вариации, характерные именно для среднеширотных трасс и связанные с изменением взаимной ориентации линии терминатора и трассы распространения радиосигнала в течение года.

Важным приложением таких исследований является возможность использования данных по изменению амплитуды сигналов СДВ-станций и расстояния между положением терминатора в моменты наблюдения минимумов сигнала (модального интерференционного расстояния DMS) для оценки высоты отражения радиосигнала на неосвещенной части волновода. Для оценки значения DMS мы использовали методику [Samanes et al., 2015]. По данным за период с 2014 по 2020 года определено среднее значение модального интерференционного расстояния для среднеширотной трассы NAA‒ГФО Михнево DMS ~ 2000 км, что существенно отличается от результатов, полученных для экваториальных и субэкваториальных трасс [Chand and Kumar, 2016]. Также как и в случае высоты отражения сигнала от неосвещенной части ионосферы, разница в значениях DMS для среднеширотных и экваториальных трасс обусловлена разной динамикой терминатора и его ориентации по отношению к трассе распространения радиосигнала.

Исследования динамики изменения высоты отражения радиосигнала показали, что величина hN испытывает значительные сезонные вариации с характерными периодами в 365 и 120 дней. Медианное значение этой величины за период наблюдения составило 79.2 км, что на 5 – 7 км ниже значений hN (84.9 ± 1.1 км), полученных [Han and Cummer, 2010]. Различия в полученных значениях hN могут быть обусловлены более длительным периодом наших наблюдений. Обнаружен общий тренд увеличения среднегодовой высоты неосвещенного волновода примерно на 4 км за семь лет наблюдений, связанный с изменением профиля электронной концентрации в нижней ионосфере в результате снижения солнечной активности за этот период [Samanes, 2017].

Полученные данные имеют существенное практическое значение с точки зрения прогнозирования условий неискаженной передачи и приема сигналов ОНЧ-диапазона, используемых в связных, информационных и навигационных системах.

Список литературы

  1. – Chand A.E., Kumar S. VLF modal interference distance for a west-east propagation path to Fiji // 2016 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (URSI AP-RASC). P. 1306‒1309. 2016. https://doi.org/10.1109/URSIAP-RASC.2016.7601184

  2. – Chand A.E., Kumar S. VLF modal interference distance and nighttime D region VLF reflection height for west-east and east-west propagation paths to Fiji // Radio Sci. V. 52. P. 1004–1015. 2017. https://doi.org/10.1002/2016RS006221

  3. – Crombie D.D. Periodic fading of VLF signals received over long paths during sunrise and sunset // Radio Sci. V. 68 D(1). P. 27–34. 1964. https://doi.org/10.6028/JRES.068D.012

  4. – Crombie D.D. Further Observations of Sunrise and Sunset Fading of Very-Low-Frequency Signals // Radio Sci. V. l (New Series). № l. P. 47–51. 1966. https://doi.org/10.1002/rds19661147

  5. – Cummer S.A. Lightning and Ionospheric Remote Sensing Using VLF/ELF Radio Atmospherics // Department of Electrical Engineering, Stanford University, Source DAI-B 58/09, p. 5001, 137 pages, 1997.

  6. – Desanka Š., Nina A., Vladimir S. Numerical Simulations Of The Effect Of Localised Ionospheric Perturbations On Subionospheric VLF Propagation // Publ. Astron. Obs. Belgrade. № 89. P. 391‒395. 2010. https://doi.org/10.48550/arXiv.1405.3783

  7. – Gavrilov B.G., Ermak V.M., Poklad Y.V. et al. Estimate of variations in the parameters of the midlatitude lower ionosphere caused by the solar flare of September 10, 2017 // Geomagnetism and aeronomy. V. 59. № 5. P. 587‒592. 2019. https://doi.org/10.1134/S0016793219050049

  8. – Han F., Cummer S.A. Midlatitude nighttime D region ionosphere variability on hourly to monthly time scales // J. Geophys. Res. V. 115. A09323. 2010. https://doi.org/10.1029/2010JA015437

  9. – Huang F.T., Mayr H.G., Reber C.A., Russell J.M., Mlynczak M., Mengel J.G. Stratospheric and mesospheric temperature variations for the quasi-biennial and semiannual (QBO and SAO) oscillations based on measurements from SABER (TIMED) and MLS (UARS) // Ann. Geophys. V. 24. P. 2131–2149. 2006. https://doi.org/10.5194/angeo-24-2131-2006

  10. – Lynn K.J.W. VLF Waveguide Propagation: The Basics, Ionospheric Systems Research // AIP Conference Proceedings. V. 1286. Issue 1. P. 3‒41. 2010. https://doi.org/10.1063/1.3512893

  11. – Maurya Ajeet K, Singh R., Kumar S. et al. Waves-like signatures in the D-region ionosphere generated by solar flares // URSI GASS, 2014. https://doi.org/10.1109/URSIGASS.2014.6929796

  12. – Meara L.A. VLF modal interference effects observed on transequatorial paths // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. V. 35. P. 305‒315. 1973. https://doi.org/10.1016/0021-9169(73)90096-2

  13. – Mitra A.P. Ionospheric effects of solar flares // D. Reidel. Norwell. MA. Springer. 1974. https://doi.org/10.1007/978-94-010-2231-6

  14. – Ryakhovskii I.A., Gavrilov B.G., Poklad Y.V. et al. The state and dynamics of the ionosphere from synchronous records of ULF/VLF and HF/VHF radio signals at geophysical observatory “Mikhnevo” // Izv. Phys. Solid Earth. V. 57. P. 718‒730. 2021. https://doi.org/10.1134/S1069351321050177

  15. – Samanes J.E., Raulin J.-P., Macotela E.L. et al. Estimating the VLF modal interference distance using the South America VLF Network (SAVNET) // Radio Sci. V. 50. P. 122–129. 2015. https://doi.org/10.1002/2014RS005582

  16. – Samanes J., Jean-Pierre R., Cao J., Magalhães A. Nighttime lower ionosphere height estimation from the VLF modal interference distance // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. V. 167. P. 39‒47. 2018. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.10.009

  17. – Šulić D.M., Srećković, V.A., Mihajlov A.A. A study of VLF signals variations associated with the changes of ionization level in the D-region in consequence of solar conditions // Advances in Space Research. V. 57(4). P. 1029‒1043. 2016. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.12.025

  18. – Takahashi H., Clemesha B.R., Batista P.P. Predominant semi-annual oscillation of the upper mesospheric airglow intensities and temperatures in the equatorial region // J. Atmos. Terr. Phys. V. 57. P. 407–414. 1995. https://doi.org/10.1016/0021-9169(94)E0006-9

  19. – Wait J.R., Spies K.P. Characteristics of the Earth–Ionosphere Waveguide for VLF Radio Waves // Natl. Bur. Std. Note. № 300. 1964.

  20. – Walker D. Phase steps and amplitude fading of VLF signals at dawn and dusk // Radio Science. V. 69D. № 11. P. 1435‒1443. 1965. https://doi.org/10.6028/jres.069d.155

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал