Распределение электронной концентрации в районе полярной шапки Земли по данным просвечивания вдоль радиолинии спутник-спутник

Исследования сильно изменчивой полярной ионосферы Земли на первом этапе базировались на экспериментальном материале, полученном наземными средствами, а следующий этап изучения полярной ионосферы был связан с применением спутников для определения характеристик плазмы разными методами [1]. Создание межспутниковых радиотрасс предоставило возможность глобального мониторинга ионосферы и атмосферы Земли [2]. Метод радиозатмений использует радиолинии спутник-спутник, что позволяет осуществлять почти вертикальное сечение всей толщи ионосферы за короткий промежуток времени ее погружения в исследуемую среду, и многочисленные результаты мониторинга ионосферы доказали эффективность метода при изучении вертикальных профилей электронной концентрации N(h) в разных районах Земли.
Именно метод радиозатмений позволяет выполнять регулярные исследования ионосферы над трудно доступной территорией Арктики при широтах больше 70º [3,4]. В нашей работе представлены результаты радиопросвечивания, полученные с использованием радиозатменной системы, включающей навигационные спутники GPS (излучатели радиоволн) и малые исследовательские спутники FormoSat-3 (приёмники сигналов), которые двигались по круговым орбитам с высотой около 800 км [5]. Зондирование верхней ионосферы от 700 км до максимума электронной концентрации длилось примерно 4 мин, а от максимума ионизации до 100 км - примерно 1.5 мин. Мы анализировали данные об электронной концентрации, полученные в течение четырнадцати суток в июне 2015 г. (DOY 170-183), когда было реализовано 400 сеансов радиопросвечивания в районах с широтами 70º÷88º. В каждые сутки было получено от 32 до 44 профилей N(h). Представленные данные включают период с 21 по 28 июня 2015 года, когда наблюдали серию интенсивных корональных выбросов на Солнце, сопровождавшихся мощными потоками рентгеновского излучения, что спровоцировало на Земле сильную магнитную бурю и могло повлиять на профили N(h) в полярной ионосфере.
Анализ показал, что в 324 сеансах форма полученных профилей, как правило, соответствует профилю N(h), который формируется в невозмущенной дневной ионосфере средних широт, с ясно выраженным максимумом электронной концентрации в области F2 на высоте h≈260÷300 км и почти экспоненциальным уменьшением N(h) в районе 370÷600 км. Такая форма N(h) обусловлена доминированием ионизации солнечным излучением в летних условиях, но ниже области F2 вариации N(h) значительные. В 48 сеансах форма профилей N(h) в области F2 существенно отличалась от обычной. Зарегистрированы профили с двумя максимумами на высотах ~300 км и ~200 км, профили с одним максимумом на высоте ~200 км, профили с почти одинаковой концентрацией в интервале высот 150-350 км, а также профили, у которых в районе 370÷600 км уменьшение электронной концентрации отличается от экспоненциального. Следует также отметить, что в 28 сеансах флуктуации концентрации оказались очень большие на всех высотах и мы посчитали профили N(h) малодостоверными.
В период наблюдений с 19 июня по 2 июля зенитный угол Солнца менялся в интервале 50º - 85º и можно было ожидать, что высота максимума и концентрация в максимуме области F2 будут закономерно меняться при изменении зенитного угла Солнца. Но никаких тенденций к закономерному изменению высоты максимума и концентрации в максимуме не наблюдается ни при изменении зенитного угла Солнца от 50º до 85º, ни при изменении широты от 70º до 88º или долготы (распределение этих параметров в течение суток было почти равномерным). Более информативной оказалась зависимость концентрации в максимуме области F2 от времени определения N(h). Со 170 до 173 дня максимальная концентрация электронов в кубическом сантиметре растет от 3.0*10**5 до 5.7*10**5, со 173 до 175 дня она падает до 1.4*10**5, со 175 до 178 дня она нарастает до 3.5*10**5, затем падает до 2.0*10**5 (180 день) и потом растет до 4.2*10**5 (183 день). По-видимому, такие вариации максимальной концентрации обусловлены серией интенсивных корональных выбросов на Солнце, сопровождавшихся мощными потоками рентгеновского излучения, что повлияло на состояние полярной ионосферы. Мы не смогли выявить механизмы, обеспечившие такое поведение N(h) в области F2.
Несмотря на многочисленные исследования, закономерности формирования полярной ионосферы до настоящего времени остаются предметом изучения и дискуссий. Радиозатменный метод исследования ионосферы над территорией Арктики позволяет ежедневно получать большой экспериментальный материал о состоянии и возмущениях электронной концентрации. Анализ информации о десятках вертикальных профилей электронной концентрации каждые сутки будет способствовать выявлению причинно-следственных связей быстрой и сильной изменчивости полярной ионосферы под воздействием различных гелиогеофизических факторов.
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Космос”.