Температура нижней термосферы: сравнение результатов измерений методом ИПН на стенде СУРА со спутниковыми данными Aura EOS и SABER

Для измерения температуры атмосферы используют разные методы, в том числе спутниковое зондирование. Большое количество данных получено с помощью аппаратуры, размещенной на космических аппаратах Aura EOS и TIMED (радиометр SABER). Среди наземных дистанционных методов явление резонансного рассеяния коротких радиоволн на создаваемых мощным радиоизлучением искусственных периодических неоднородностях плазмы (ИПН) позволяет определять температуру нейтральной атмосферы в области высот 90–120 км. Метод имеет высокое временное и высотное разрешения, позволяя регистрировать мелкомасштабные и кратковременные вариации температуры.
При создании искусственных возмущений в результате отражении в ионосфере мощного высокочастотного радиоизлучения стенда СУРА образуются периодические неоднородности температуры и концентрации электронов, механизм возникновения которых различен в разных областях ионосферы. Процесс рассеяния пробных радиоволн при зондировании неоднородностей имеет резонансный характер, то есть принимаемый сигнал обладает значительной амплитудой при условии совпадения частот и поляризаций возмущающей ионосферу и пробной радиоволн. На этой основе разработан ряд методов измерения различных параметров ионизованной и нейтральной компонент атмосферы на ионосферных высотах, в том числе в области нижней термосферы.
Было теоретически и экспериментально доказано, что релаксация (пропадание) периодических неоднородностей в нижней термосфере происходит под действием диффузионных процессов. Продолжительность этого процесса обратно пропорциональна коэффициенту амбиполярной диффузии, зависящему от температуры нейтральной среды. На измерении высотного профиля времени релаксации ИПН основан способ определения температуры нейтральной компоненты. При соблюдении ряда критериев, ключевыми из которых являются постоянство температуры внутри ограниченного объема, отсутствие атмосферной турбулентности и спорадических слоев ионизации (слоев Es), которые изменяют диффузионную зависимость времени релаксации ИПН от высоты, а также равенство температур ионов, электронов и нейтралов, что в средних широтах приближенно выполняется до высот 120-130 км, погрешность определения температуры не превышает (5–10)%.
В работе представлены результаты сравнения температуры нейтральной компоненты на высотах 90–120 км, полученные методом ИПН в осенних экспериментах 2016, 2018, 2021 и 2022 годов, с температурой, получаемой с помощью спутниковых измерений Aura EOS и SABER. Сопоставление высотных профилей температуры, полученных указанными методами приблизительно в одно и тоже время для близких по широте пунктов, показало, что они в целом заметно различаются, хотя общая тенденция изменения температуры по высоте сохраняется. Температурный профиль, полученный методом ИПН, на высотах в интервале 97–112 км занимает промежуточное положение между профилями, полученными по спутниковым данным. По данным SABER на высотах 80–100 км профиль температуры часто изменяется с масштабом 1–3 км. По результатам измерений методом ИПН выявлены нерегулярные изменения температуры с высотой с масштабом от 2 до 10 км, вызванные распространением атмосферных волн. Отметим также, что профили температуры, полученные разными методами, в большинстве случаев отличались от эмпирических профилей, рассчитанных согласно модели MSIS-E-90.
Работа выполнена в рамках проекта № FSWR-2023-0038 по базовой части государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.