Изменение эффективной высоты ионосферы во время внезапных ионосферных возмущениях

ИЗМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЫСОТЫ ИОНОСФЕРЫ

ВО ВРЕМЯ ВНЕЗАПНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ

Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск

E-mail: *****@***ru

       Рассматриваются внезапные ионосферные возмущения, вызванные солнечными вспышками. При этом в нижней ионосфере наблюдается дополнительная ионизация из-за увеличения интенсивности жесткого рентгеновского излучения. Для трех трасс различной длины и ориентации рассчитано изменение эффективной высоты отражения ионосферы во время внезапных ионосферных возмущений.

Поле ОНЧ-диапазона сравнительно мало подвержено вариациям, вызванным трудно предсказуемым гелиофизическим явлениям, так как на формирование поля влияет только нижняя часть ионосферы (до 60 90 км), структура которой обладает относительно высокой стабильностью. Кроме того, диапазон ОНЧ представляет большой интерес для исследования нижней ионосферы. Состояние ионосферы во время бури зависит от большого числа переменных, таких как местное время, геомагнитная широта, сезон, солнечная активность, время начала бури, время бури (время, прошедшее с начала бури), интенсивность бури и предбуревой активности (большие бури редко изолированы) [1]. При солнечных вспышках, в результате увеличения интенсивности жесткого рентгеновского излучения наблюдают резкое изменение ионизации в нижней ионосфере, сопровождаемое нагревом атмосферы, что может вызвать генерацию акустико-гравитационных волн. Максимальное поглощение энергии рентгеновского излучения при солнечной вспышке происходит на высотах 60-100 км [2].

Для физики верхней атмосферы наибольший интерес представляет рентгеновское излучение с длинами волн короче 8Е, которое пренебрежимо мало в спокойных условиях, но является основным источником ионизации в области D во время вспышек [3, 4, 5].

В последнее время значительное внимание уделяется анализу данных о распространении радиоволн ОНЧ-диапазона при внезапных ионосферных возмущениях, поскольку точность других методов оценки профилей электронной концентрации на высотах ниже 60 - 65 км с уменьшением высоты падает [6]. Также экспериментально-теоретические исследования фазовых аномалий в ОНЧ-диапазоне позволили создать модели изменения профиля электронной концентрации в D-области ионосферы и, соответственно, модель понижения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера[7].

В таблице 1 приведены основные параметры трасс, относительно которых проводилось измерение фазы сигналов радионавигационной системы «Омега».

Таблица 1. Основные характеристики трасс распространения.

Трасса распространения	Длина трассы, км	Азимут, град.	Рабочие частоты, кГц
Хабаровск – Япония Хабаровск – Ля Реюньон Хабаровск – Гавайи Хабаровск - Австралия	1600 11000 6600 9700	14,9 41,3 272,7 352,2	10.2,  11.05,  13.6 10.2,  11.05,  13.6 10.2,  11.05,  13.6 10.2,  11.05,  13.6

В качестве примера рассмотрим вспышку, которая имела место 4 сентября 1982 г. На рис. 1 приведено изменения фазы принимаемого сигнала на трех трассах.  На рис. 2  -  изменение потока  рентгеновского излучения  для  длин  волн  л < 0.5 – 4 Е и л < 1 – 8 Е, взятые из источника [11]. Как видно из рис. 2, в этот день наблюдались две вспышки и связанные с ними увеличение потока рентгеновского излучения. Одна началась около 2 часов всемирного времени (UT), а другая -  около 4 часов UT и закончилось событие приблизительно в 7 часов UT. Эти вспышки интересны поведением фазы принимаемого сигнала, так как представляют в основном два типа вспышек, которые регистрируются по изменению фазы принимаемого сигнала. Первый тип (основной) – резкое изменение фазы сигнала в течение нескольких минут (порядка 15 – 30 мин), а затем постепенное возвращение (порядка 1 – 1.5 часов) к невозмущенному уровню. На рис. 1 – это вспышка, которая началась в 1 UT. Второй тип – «бухтообразное» изменение фазы: плавное начало, которое может продолжаться несколько часов и такое же плавное возвращение в течение продолжительного времени. Как видно из этих рисунков, наблюдается хорошая корреляция между поведением фазы принимаемых сигналов и изменением потока рентгеновского излучения при конкретной солнечной вспышке.

Рис.1. Изменение фазы принимаемого сигнала 4 сентября 1982 года для трасс: a – трасса Япония – Хабаровск, b – трасса Гавайи – Хабаровск и c – Австралия – Хабаровск

(сплошная линия – частота 10,2 кГц, пунктир – 13,6 кГц)

Рис.2. Изменение рентгеновского потока для вспышки 4 сентября 1982 года [8].

Для определения освещенности трассы (так как рентгеновское излучение действует только на освещенной части Земли) рассчитывался средний зенитный угол Солнца по формуле [9]:

где – радиус Земли; – протяженность освещенной части трассы; – зенитный угол Солнца в средней точке освещенной части трассы. Так как верхней границей волновода Земля – ионосфера является ионосфера, то зенитный угол Солнца с учетом отражающего озонового слоя брался равным 950  для средней точки освещенной части трассы на высоте порядка 60 км, что соответствует освещенной части трассы  на высоте верхней стенки волновода.

По фазовым вариациям можно сопоставить эквивалентные изменения эффективной высоты отражения ионосферы. Для подобных оценок использована приближенная формула для модели сферического волновода с бесконечно проводящей землей и ионосферой, обладающей свойствами так называемой «магнитной стенки» [10]:

где  – длина волны; – средняя высота ионосферы;         – радиус Земли; – вариации фазы принимаемого сигнала (в сантициклах) на расстоянии от передатчика.

В табл. 2 приведены расчеты изменения эффективной высоты отражения ионосферы, соответствующие максимальному числу изменений фазы принимаемого сигнала во время внезапных ионосферных возмущений для протяженных трасс и различных частот (изменение высоты дано в км). Наблюдается некоторая тенденция к увеличению изменения эффективной высоты ионосферы с увеличением частоты принимаемого сигнала. Еще можно обратить внимание на тот факт, что с увеличением расстояния между передающей радиостанцией и приемным пунктом эффективная высота отражения ионосферы уменьшается (за исключением частоты 11.05 кГц, где эффективная высота отражения ионосферы практически не изменяется). Объяснить это можно отчасти как различным расположением трасс по широте, длиной трасс и, в частности, тем, что некоторые трассы проходят через геомагнитный экватор.

Таблица 1. Изменения эффективной высоты отражения ионосферы во время внезапных ионосферных возмущений для различных трасс и частот

Радиостанция	Частота, кГц
10.2	11.05	13.6
Ля Реюньон Австралия Гавайи	1.55 1.88 2.05	2.03 2.03 2.02	2.07 2.50 2.97

       Необходимо отметить, что эффективная высота отражения ионосферы будет различной для разных частот распространения сигналов, поэтому, как видно из таблицы 2, значения изменения данной высоты также являются различными.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Благовещенский геомагнитных бурь/суббурь на ионосферу. Ч. I. (Обзор).// Геомагнетизм и аэрономия, том 53, №3, 2013. – C.291-307.

2. , Козин излучение в верхней атмосфере. – М.: Наука. Главная  редакция физико-математической литературы, 1983. – 152 с.

3. Митра. солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977. С.370.

4. , . Временные вариации ионосферы во время солнечной вспышки 28 октября 2003 г. по данным сети GPS.//Геомагнетизм и аэрономия, 2005, том 45, №1, с.127-134

5. , , Беккер принципы построения вероятностно-статистических моделей ионосферы для решения задач распространения радиоволн//Геомагнетизм и аэрономия, 2014 – Т.54, №6 – C.767-779.

6. , Уваров нижней ионосферы для полуденных спокойных условиях и условий внезапных ионосферных возмущений по данным о распространении СДВ// Геомагнетизм и аэрономия. – 2011. – Т.51. – №1. – С. 80 – 89.

7. , , Уваров профилей электронной концентрации нижней ионосферы по данным о распространении СДВ//Проблемы дифракции и распространения волн: Сб. научных статей. – С-Пб.: Изд. С-ПбГУ, вып. 28, 2000. – С.83 – 114.

8. Solar-Geophysical Data March 1983  number 463 - Part II, p.38.

9. , ,   О дневных вариациях СДВ-полей, определяемых зависимостью электронной концентрации нижней ионосферы от зенитного угла Солнца//Геомагнетизм и аэрономия. – 1975. – Т.15. – №3. – С. 462 – 466.

10. , Азарнин закономерности распространения сигналов СДВ-диапазона в волноводном канале Земля – ионосфера //Проблемы дифракции и распространения волн: Сб. научных статей. – Л.: Изд. ЛГУ, вып. X, 1970. – С.3 – 107.