Возмущения в полярной ионосфере Земли по данным радиопросвечивания

К настоящему времени накоплен большой материал о структуре земной ионосферы: о глобальном распределении нейтральных и ионизованных компонент, о суточных и сезонных вариациях параметров ионизованной среды. Характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Регулярные вариации параметров ионосферы, обусловленные изменением солнечного излучения (суточные, сезонные, широтные изменения) достаточно хорошо изучены. Но ионосфера не является стационарной средой. Многочисленные экспериментальные данные выявляют ионосферные неоднородности разных пространственно-временных масштабов и природу возмущений не так просто выявить. Создание межспутниковых радиотрасс предоставило возможность глобального мониторинга ионосферы и атмосферы Земли [1]. 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
В нашей работе представлены результаты радиопросвечивания трудно доступной территории Арктики при широтах больше 70º [2,3], 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 [4]. Зондирование 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 N(h), 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, которая вызвала сильные возмущения электронной концентрации в полярной ионосфере.
Анализ данных показал, что в 324 сеансах форма полученных профилей N(h) 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 [5]. Но 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 не является экспоненциальным. Чтобы оценить достоверность обнаруженных возмущений N(h), необходим анализ погрешностей метода радиопросвечивания, т.к. методические погрешности интегрирования экспериментальных данных, содержащих шум, и возможная асимметрия зондируемой среды могут повлиять на качество сведений о возмущениях ионосферы.
Проверку методики расчётов и анализ возникающих погрешностей N(h) можно осуществить следующим образом [6,7]. Для модели ионосферы с заданным распределением электронной концентрации решить прямую задачу просвечивания и определить изменение частоты радиоволны. Далее по рассчитанной функции изменения частоты (дополненной шумом и трендом) решить обратную задачу радиопросвечивания, найти высотный профиль N(h) и сравнить его с моделью. Моделирование показало, что интегрирование вариаций частоты сигнала в процессе решения обратной задачи при наличии случайного шума и небольшого неучтенного тренда частоты приводит к резкому увеличению систематической погрешности концентрации электронов только вблизи нижней границы ионосферы. Влияние несферичности ионосферы может возникать, прежде всего, из-за того, что при решении обратной задачи не учитывается тот факт, что электронная концентрация зависит не только от текущей высоты, но и от угловых координат, например от локального зенитного угла Солнца, который изменяется вдоль радиолуча. На основе заданной асимметричной модели дневной ионосферы можно вычислить интегральную электронную концентрацию с учётом изменения электронной концентрации вдоль радиолуча при всех прицельных параметрах. Далее по этой зависимости найти изменение частоты зондирующего сигнала, а затем решить обратную задачу радиопросвечивания в приближении сферической симметрии, получить профиль N(h) и оценить абсолютную погрешность определения электронной концентрации, обусловленную влиянием несферичности. Результаты моделирования [6,7] свидетельствуют о том, что погрешность определения N(h), обусловленная влиянием асимметрии, сравнительно невелика, в областях F2, F1, E она соизмерима с погрешностями из-за тренда и флуктуаций частоты. Сравнительно малые значения погрешности, обусловленные асимметрией, можно объяснить тем, что основной вклад в изменение частоты сигнала вносит ограниченная область точки максимального приближения радиолуча к поверхности планеты. Но ниже области Е влияние асимметрии может существенно изменить профиль N(h), ошибки могут превышать 100%.
Более надежное обоснование достоверности обнаруженных возмущений профиля N(h) можно получить при использовании инварианта радиозатмения [8]. Идея такого метода исходит из сравнения двух функций со значениями мощности сигнала. Первая функция представляет собой экспериментально наблюдаемые изменения мощности сигнала в ионосфере, а вторая функция «предсказывает» изменение мощности, вычисленное на основе скорости изменения частоты сигнала, используя линейную связь этих функций [8]. Совпадение этих двух функций возможно только в сферически симметричной среде. Этот метод апробирован в эксперименте радиопросвечивания ионосферы Венеры [8], а при радиопросвечивании земной ионосферы измерения мощности сигнала выше 150 км не проводились.
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Космос”.