Моделирование распространения КВ радиоволн на трассе Кипр – Нижний Новгород при регистрации z-образных ПИВ

Представлены результаты моделирования распространения КВ радиоволн на трассе Кипр – Нижний Новгород во время регистрации перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) z-типа. Моделирование выполнено для экспериментальных дистанционно-частотных характеристик (ДЧХ) наклонного зондирования ионосферы, полученных в летний период 2023 г.
Длина трассы и азимут из пункта передачи в пункт приема составляли соответственно 2492 км; Ψ=15°. Профиль электронной концентрации для невозмущенной ионосферы (без ПИВ) был задан по модели IRI2016.
Моделирование распространения декаметровых волн проводилось в приближении геометрической оптики. Выполнялся расчет траекторий лучей волн, распространяющихся в сферически-слоистой магнитоактивной ионосферной плазме в присутствии ПИВ. Для обыкновенной и необыкновенной волны решались характеристические лучевые уравнения в сферической (географической) системе координат. В расчетах использовались постоянные вдоль трассы значения характеристик магнитного поля: наклонение геомагнитного поля 63.5°, склонение 7.3°, гирочастота 1.26 МГц, что соответствует значениям, полученным для средней точки трассы моделирования согласно модели IGRF.
Возмущение профиля электронной концентрации (неоднородность) при прохождении ПИВ задавалось гармонической функцией (плоской волной с длиной волны L) аналогично [1], при этом ее параметры (δ – относительная амплитуда неоднородности; L – характерный масштаб (пространственный период) неоднородности; H – высота условного центра неоднородности над поверхностью Земли с соответствующей долготой и широтой; α – азимутальный угол направления распространения волны; β – высотный угол наклона фронта волны относительно вертикали (отсчитывается от плоскости горизонта); p – степень экспоненциального ограничения возмущения профиля по высоте z; d – масштаб экспоненциального ограничения возмущения профиля по z; n – число пространственных четверть-периодов (L/4)) – выбирались исходя из наилучшего качественного согласования расчетов с экспериментальными данными. Перемещение фронта плоской волны задавалось сдвигом условного центра неоднородности вдоль линии широты средней точки трассы с запада на восток. Использовались следующие постоянные значения параметров модели ПИВ, при которых теоретические расчеты давали наилучшее совпадение с экспериментальными данными: δ = 0.1, H = 250 км, p = 6. Остальные параметры варьировались в диапазонах: L = 100–300 км, α = -35–-55° , β = 45–60°, n=4, 6, 14. При этом возмущение рассматривалось как периодическая структура с ограниченным числом периодов, определяемым параметром n. Рассматриваемый диапазон параметров близок к диапазону параметров ПИВ, использованных, например, в [2]. Результаты расчетов позволяют объяснить присутствие на одном треке ДЧХ в некоторых наблюдаемых экспериментально случаях нескольких z-структур, соответствующих прохождению и отклонению лучей в области соседних периодов ПИВ. Также было исследовано влияние параметров α, β и L на форму z-следа. В частности, замечено, что при уменьшении пространственного периода L z-образный участок следа ДЧХ становится менее выражен и при дальнейшем увеличении пространственного периода (L>300км) практически исчезает в силу малости градиента электронной концентрации внутри области ПИВ. Вариация угла α позволяет менять разностный угол γ=||α|–|Ψ|| между направлением, вдоль которого неоднородность имеет максимальную протяженность (перпендикулярно нормали к волновой поверхности ПИВ) и направлением трассы Кипр – Нижний Новгород, что определяет взаимную ориентацию трассы и ПИВ. Уменьшение значения угла γ приводит к меньшему наклону z-участка следа, а уменьшение значения угла β (т.е. меньшее отклонение плоскости распространения волны от горизонта) приводит к «сжатию» z-участка следа в направлении оси частот. Сопоставление экспериментальных ДЧХ и лучевых траекторий позволило определить область высот, где верхние лучи наиболее чувствительны к возмущению: z-образное возмущение формируется в области на 10-40 км ниже максимума F2-слоя. Динамика поведения ПИВ показывает, что регистрируемое на ДЧХ снижение его высоты со временем соответствует последовательному смещению условного центра неоднородности в западно-восточном направлении, что подтверждает присутствие широтной компоненты скорости перемещения.
Выполненные траекторные расчеты распространения КВ радиоволн на трассе Кипр – Нижний Новгород при использовании данной модели ПИВ показали хорошее соответствие результатов моделирования и экспериментальных ДЧХ и позволили сделать выводы о возможной форме, структуре и направлении перемещения ПИВ.