Пространственная структура и динамика возмущенной области ионосферы, по измерениям искусственного оптического свечения и полного электронного содержания

Данные приема ГНСС-сигналов с начала 90-х годов используется для определения полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере. Существенный рост количества станций, оснащенных многосистемными (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou и др.) многочастотными приёмниками, открыл возможность построения региональных и глобальных карт ПЭС, что позволило получать пространственно-временную картину изменения ПЭС. Естественно, что описанное выше возможно лишь для регионов, обладающих плотными ГНСС сетями. В данный момент плотные ГНСС сети развернуты в таких регионах, как Япония (сеть GEONET, порядка 1300 станций (Tsugawa et al., 2017), США (Калифорнийская сеть станций, порядка 1200 приемников), Западная Европа и большинство экспериментальных результатов, представленных в виде динамических ПЭС карт, получено именно для этих областей.
На территории РФ, особенно в её европейской части, в последнее десятилетие также отмечается уверенный рост количества базовых ГНСС станций. Это обстоятельство позволяет перейти от локальных наблюдений вариаций наклонного ПЭС (ПЭС ионосферы вдоль трассы распространения сигнала) к построению двумерных карт вертикального ПЭС для территории европейской части РФ. Использование большого числа близкорасположенных ГНСС-станций позволит обеспечить высокое пространственное разрешение полученных двумерных карт ПЭС. Построение детализированных ПЭС карт важно для изучения влияния различных естественных источников (вспышки на Солнце и связанные с ними геомагнитные бури, сопровождающиеся высыпанием энергичных частиц и полярными сияниями; движение солнечного терминатора; землетрясения и процессы их подготовки, тайфуны и извержения вулканов и др)., а также антропогенных и искусственных воздействий (наземные и воздушные взрывы; вторжение и сгорание метеоров в атмосфере Земли; воздействие инфразвуком и мощными пучками радиоволн с поверхности земли; выбросы химически активных реагентов и инжекция энергичных электронов в атмосферу при пролетах ракет) на состояние околоземного космического пространства.
Информации о региональных ПЭС картах, обладающих высоким пространственно-временным разрешением и показывающих распределение ПЭС в ионосфере Земли над территорией европейской части РФ в настоящий момент в литературе крайне мало. В качестве одного из таких примеров можно привести работу (Sherstyukov et al., 2018), где на плотной сети ГНСС станций были исследованы среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ) на территории европейской части РФ.
В рамках текущей работы была выполнена обработка экспериментальных данных, полученных 29 августа 2016 года на стенде «Сура» (р/п Васильсурск, Нижегородская область, географические координаты: 56.15° с.ш., 46.10° в.д., магнитное склонение ∼ 11.2°, магнитное наклонение по данным IGRF-12 на уровне 250 км от земной поверхности ∼ 71.9°), в ходе проведения совместных измерений искусственных вариаций ПЭС ионосферы на сети из 30-ти ГНСС-станций, расположенных в радиусе 700 км от стенда (в основном в серверном, восточном и юго-восточном направлениях) и оптического свечения в красной линии атомарного кислорода (λ=630 нм), стимулированных мощным наземным КВ радиоизлучением и проведено прямое сопоставление между изображениями ночного неба с выделенной областью искусственного оптического свечения и картами ПЭС. В результате получена динамическая пространственно-временная картина изменения ПЭС в той области ионосферы, где происходит генерация плазменных волн, способных ускорить электроны до потенциала возбуждения оптических уровней. Пространственный охват, полученных ПЭС карт для проведения прямого сопоставления с изображениями ночного неба, был ограничен пределами поля зрения ПЗС камеры (20×15°), на которую регистрировались изображения ночного неба. В географических координатах ПЭС карты показывают динамику вариаций ПЭС с временным разрешением раз в 30 сек для следующей области пространства: по широте (ось ординат) 55.81° с.ш. ÷ 56.51° с.ш.; по долготе (ось абсцисс) 45.36° в. д. ÷ 46.86° в. д. В заключении, по ПЭС картам и изображениям с ПЗС камеры была проведена оценка интенсивности вариаций ПЭС и яркости искусственного свечения в линии 630 нм из области 11×11 пикселей с центром в пикселе с максимальной яркостью в интервале 18:30:00 UTC ÷ 20:14:00 UTC. Проведенные измерения дополняют, ранее выполненные (Grach et al., 2018) на стенде «Сура» синхронные измерения наклонного ПЭС и интенсивности искусственного свечения в линии 630 нм на луче зрения «навигационный спутник – GPS приёмник», пересекающего поле зрения ПЗС камеры, в момент работы мощных передатчиков стенда, в которых было установлено, что свечение генерируется в области пониженной электронной концентрации, и именно в этой области популяция энергичных электронов, ускоренных плазменными волнами до потенциала возбуждения оптических уровней, оказывается более интенсивной.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (обработка данных и визуализация результатов – проект №19–72–00072, проведение эксперимента на стенде «Сура» – проект №14–12–00706). Система сбора и хранения ГНСС данных разработана при финансовой поддержке Казанского (Приволжского) федерального университета.