В ионосфере Земли постоянно присутствуют неоднородности различных масштабов, для регистрации которых применяются различные методы от дистанционных ракетных/спутниковых по месту (in situ). Однако ни один метод не может показать всю картину неоднородности с полным пространственным распределением концентрации всех основных компонентов плазмы и их температуры (а часто еще необходимо знать распределение электрических полей). Все это не позволяет определить физическую причину образования неоднородностей, и как следствие предсказать место и время их появления, а также их размеры и продолжительность существования. В частности, в средних широтах спорные вопросы в механизмах существования относятся к среднемасштабным перемещающимся ионосферным возмущениям (СМ ПИВ), постоянно присутствующим в магнитно-спокойные времена. Традиция отнесения всех ионосферных возмущений перемещающихся на протяженные расстояния без значительного изменения формы к волновому действию нейтральной атмосферы привела к устойчивому безоговорочному мнению о СМ ПИВ как о результате простого безреактивного (без ответной реакции) перераспределения ионосферной плазмы под действием внутренней гравитационной волны (ВГВ). При таком подходе структура СМ ПИВ (в лице пространственного перераспределения ионосферной ионизации представляет) представляет простой слепок структуры ветров внутри ВГВ, правда, с учетом геометрии расположения фронтов ВГВ по отношению к геомагнитным линиям (Francis, 1974).Такому подходу к СМ ПИВ также способствовало, что непосредственная регистрация параметров нейтральной атмосферы (в частности скорости ветра) крайне затруднительна, и, практически, удобнее считать СМ ПИВ простым трассером ионосферы.
С ростом экспериментальных свидетельств СМ ПИВ на различной приборной базе стало возникать не мало вопросов к возникшем в 60-х подходу к СМ ПИВ как о простом слепке ВГВ, которые рождаются в нижней атмосфере и постоянно «бомбардируют» среднюю и верхнюю ионосферу. В частности СМ ПИВ имеют устойчивую тенденцию распространяться в направлении экватора во всех полушариях с непонятным отличием в направлении зональной составляющей: к востоку днем и к западу ночью(Makela, Otsuka, 2012) ( Otsuka et al., 2013). Для любых источников ВГВ (если первоначально исключить те, что находятся в авроральной зоне) такое распространение их слепка в лице СМ ПИВ вызывает недоумение. А если принять версию о генерации ВГВ/СМ ПИВ, несмотря о достаточных противоречиях в этой гипотезе, связанных с большой дальностью распространения, то необходимо принимать в рассмотрение электрические поля в авроральной зоне, возможно участвующие в возбуждении СМ ПИВ. И если эти поля как-то участвовали в создании СМ ПИВ, то интересно понять, могут ли они каким-либо образом сопровождать СМ ПИВ (или участвовать в сохранении СМ ПИВ) по мере их распространения через средние широты к низким. В силу отсутствия в средних широтах достаточного мощного и быстро сканирующего НР радара эту задачу можно решать лишь мультиинструментальной базе не столь дорогостоящих и не столь информативных приборов. В частности, альянс ионозондовых данных с повышенным временным разрешением и спутниковых измерений (низкоорбитальных) над местом ионозондового зондирования позволяет начать решать задачу взаимодействия максимума области F и верхней ионосферы (ее дактами) с простого сопоставления неоднородностей электронной концентрации, движущихся в направлении экватора (или к югу в Северном полушарии).Источником экспериментальной информации о неоднородной структуре слоя F и является ионозонд "Циклон", расположенный под Казанью на 55.85 градусах северной широты и 48.82 восточной долготы. Один из основных недостатков ионозондов – невозможность наблюдать состояние ионосферы выше пика слоя F2, преодолен с помощью привлечения спутниковых данных. Для такого сопоставления были использованы данные вертикального зондирования и данные ленгмюровского пробника на группировке спутниковSwarm.
Swarm – группировка из трех спутников, запущенных европейским космическим агентством 22 ноября 2013 г. с целью изучения геомагнитного и электромагнитного полей земли. Группировка состоит из трех спутников: Swarm-A,Swarm-B, Swarm-C, причем спутники A и C следуют параллельными траекториями со смещением около 1,5 градусов по долготе на высоте около 470 км, а спутник B движется по более высокой орбите около 520 км. Одним из инструментов, установленных на спутниках Swarm, является прибор электрического поля (EFI) (Knudsen et al., 2017),в составе которого имеются два ленгмюровских пробника, из которых один работает в режиме с высоким коэффициентом усиления (то есть с высокой чувствительностью), а другой - в режиме с низким коэффициентом усиления. Ленгмюровские пробники обеспечивают данные об электронной плотности от зонда с высоким коэффициентом усиления (во время отрицательно смещенной части развертки).Данные электронной плотности от Swarm были валидированы и калиброваны (Lomidze et al., 2018).
Ионозонд работает в минутном режиме и при необходимости обеспечивает высотное разрешение отражений не менее 200 м, что позволяет получить более непрерывные данные, по сравнению со стандартным для ионозондов пятнадцатиминутным режимом и надежно фиксировать более медленные изменения порядка 20-40 минут. Данные, собираемые ионозондом, представляют собой набор пар амплитуда-фаза, расположенный в порядке времени получения сигнала на каждой частоте в промежутке 1.5-8.5 MГц с шагом 17 кГц. Таким образом, итоговый результат можно представить в виде двумерной ионограммы, на основе которой считывается текущее значение критической частоты.
Для адекватного сравнения данных, относящихся к одной и той же области пространства из вышеуказанных источников данных, необходимо было учесть следующие особенности: при прохождении ПИВ над ионозондом, он способен увидеть наклоняемые перемещающимся возмущением отражающие поверхности в ограниченной 5-10° от зенита области, что на высоте слояF соответствует горизонтальному расстоянию примерно 200 км, которое спутник проходит примерно за 30 секунд, что резко ограничивает количество отсчетов данных со спутника, попадающих в указанный интервал. Для такого количества отсчетов сильно возрастало как влияние случайных выбросов на выявление детермированной зависимости, так и на то, что поскольку кроме изменений, вызванных возмущениями, плазменная плотность имела естественный планетарный тренд на понижение концентрации на более северных широтах, из-за сравнительно короткого набора данных сильно возрастало влияние средне- и крупномасштабных ПИВ на корректное удаление этого тренда. Поскольку наименьшим пределом периода наблюдения для ПИВ является 5 минут, то для достоверных наблюдений был необходим интервал измерений, сопоставимый с этим интервалом, что не выполнялось из-за высокой скорости спутника. Более того, горизонтальные длины волн для таких короткопериодных ПИВ составляют величину порядка 50 км, что накладывает дополнительное ограничение на допустимое отклонение траектории пролета спутника равное 1,5° по долготе от положения ионозонда. Дополнительным ограничением являлось дневное время пролета, поскольку ночные следы на ионограммах в большинстве случаев подвержены сильному F-рассеянию, что затрудняет их автоматическую обработку. В результате вышеобозначенные условия настолько уменьшили количество подходящих случаев, что это не позволило набрать достаточную статистику для достоверного получения информации.
По указанным причинам от попытки нахождения мелкомасштабных возмущений порядка 50-100 км пришлось перейти к более крупномасштабным ПИВ, которые в стандартной классификации соответствуют среднемасштабным ПИВ (СМ ПИВ), для которых длина волны соответствует от 100 до 400 км(Hunsucker, 1982) (Hocke, Schlegel, 1996) У таких ПИВ есть несколько преимуществ, во-первых они вызывают изменения в критической частоте более 10%, и сохраняют форму при перемещении на 2-3 тыс. км.(Francis, 1975), что позволило достаточно легко выделять их как на результатах ионозонда, так и в спутниковых измерениях. Более того, способность сохранять форму позволяет конвертировать пространственные измерения спутника во временные перемещения над ионозондом, что и использовалось в анализе, примененном в данной статье. Хотя примерные скорости таких ПИВ составляют около 100 м/c, точное значение с помощью указанных методов определить затруднительно и может быть уточнено при использовании иных, например, при построении карт TEC по данных сети ГНСС-приемников.
Из набора данных со спутника была выбрана плазменная электронная плотность, как имеющая возможность взаимосвязи с результатами ионозонда. Поскольку известно, что структура F-области упорядочена вдоль силовых линий магнитного поля, при сравнении данных учитывалось различие в широтах, при сопряжении точек F-области и зоны пролета спутника. В результате обработки ионограмм извлекалась последовательность изменения критической частоты, поскольку для выбранных масштабов ПИВ она является самым оптимальным показателем.
Выбранные в соответствии с озвученными требованиями и условиями пролеты спутников присутствовали в количестве от семи-восьми до более пятнадцати случаев в месяц. Исходя из вышесказанного, в первую очередь искались пролеты спутника, где изменения плазменной частоты оказывались более 10% при пролете непосредственно над ионозондом, после чего происходил анализ и обработка ионограмм в этот период, и производилось сопоставление полученных данных.С учетом всех вышеизложенных условий, количество успешных сочетаний оказалось порядка трех десятков за 2016- 2018 годы.
При сопоставлении данные ионозонда и спутника показали явное наличие похожих колебаний, имеющих схожие по форме и примерно совпадающие для движения с теоретически оцененными скоростями. Однако эти совпадения оказались с некоторым сдвигом, близким к противофазному, когда повышение плазменной плотности совпадало с соответствующим ей понижением критической частоты.
В качестве объяснения данного результата можно предположить либо некоторое "гуляние" луча ионозонда, при котором точка отражения луча отклоняется от зенитной (Sherstyukov, Akchurin, Sherstyukov, 2018) либо инверсия дакта на высотах, выше 350 км (Seker et al., 2008)