Эмпирическая модель воздействия солнечных вспышек различного класса на состояние и динамику нижней ионосферы

Эмпирическая модель воздействия солнечных вспышек различного класса на состояние и динамику нижней ионосферы

Конкурс РНФ 2022 года:

«Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Проект № 22-77-00051

«Эмпирическая модель воздействия солнечных вспышек различного класса на состояние и динамику нижней ионосферы»

Сроки выполнения проекта

2022-2024

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

к.ф.-м.н. Ряховский Илья Александрович

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

3 млн. рублей

Аннотация

Одним из основных и, в тоже время, наименее изученных элементов системы магнитосфера-ионосфера-атмосфера Земли, существенно влияющих на происходящие в ней процессы, является нижняя ионосфера. Низкая электронная концентрация в нижней ионосфере является препятствием для использования радиофизических методов, применяемых для исследования верхней ионосферы. Мониторинг состояния D области по характеристикам радиосигналов СДВ (3- 30 кГц) диапазона, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера, позволяет получать информацию о возмущениях нижней ионосферы, вызванных природными и антропогенными факторами. В геофизической обсерватории (ГФО) «Михнево» с 2014 года ведется непрерывный мониторинг амплитудно-фазовых характеристик сигналов от СДВ станций, расположенных по всему миру. Огромный объем экспериментальных данных может быть использован для проведения экспериментальных и теоретических исследований состояния и динамики нижней ионосферы в различных гелиогеофизических условиях.

Целью настоящего проекта является комплексный анализ процессов, происходящих в нижней ионосфере во время солнечных вспышек различных классов по данным амплитудно-фазовых характеристик сигналов СДВ радиостанций. Результаты данного проекта могут быть применимы в интересах проведения фундаментальных геофизических исследований и для решения прикладных вопросов обеспечения функционирования российских связных, навигационных и информационных систем во время сильных геофизических и антропогенных воздействий. Фундаментальной проблемой геофизики, решению которой должен способствовать настоящий проект, является влияние геофизических возмущений, вызванных высокоэнергетическими природными и антропогенными процессами глобального или регионального масштаба, на пространственно-временную динамику нижней ионосферы.

Актуальность проекта обусловлена необходимостью получения достоверных данных о воздействии солнечных вспышек различного класса на состояние и динамику D области ионосферы и, как следствие, на условия распространения радиосигналов. Получение постоянной, доступной и полной информации о возмущении среды распространения радиосигналов позволит принять технические и организационные меры, снижающие риск прекращения или ухудшения функционирования информационных, управляющих, навигационных систем.

при поддержке

Основной целью настоящего проекта является разработка принципов, создание методологии и проведение комплексных исследований динамики нижней ионосферы во время солнечных вспышек различных классов с использованием амплитудно-фазовых характеристик сигналов КНЧ/ОНЧ диапазона, регистрируемых в Геофизической обсерватории ИДГ РАН «Михнево». Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Получение, сбор и систематизация экспериментальных данных по вариациям амплитуды и фазы сигналов СДВ радиостанций, расположенных в различных районах Земного шара, регистрируемых в ГФО «Михнево»;

Модернизация и оптимизация сервера сбора и обработки измерительных данных в ИДГ РАН под задачи проекта;

Проведение теоретических исследований и разработка методов восстановления профиля электронной концентрации в нижней ионосфере по амплитудно-фазовым характеристикам сигналов СДВ диапазона;

Создание эмпирической модели влияния солнечных вспышек на состояние и динамику D области ионосферы;

Разработка подходов к организации системы мониторинга состояния нижней ионосферы на территории Российской Федерации с участием обсерваторий ПГИ, ИКФИА, ИСЗФ, ИКИР, НИРФИ, ИФЗ, ГЦ РАН и других организаций, имеющих соответствующие технические возможности, и создание методического аппарата обработки и анализа данных сетевых измерений параметров КНЧ/ОНЧ радиосигналов от мировых передающих центров и молниевых разрядов

при поддержке

В качестве основного источника экспериментальных данных при выполнении проекта будет использован радиофизический комплекс геофизической обсерватории (ГФО) Института динамики геосфер РАН «Михнево». ГФО расположена в 80 км на юг от Москвы в точке с координатами 54.96° С.Ш., 37.76° В.Д. в месте, удаленном от источников промышленных помех. В обсерватории размещен многофункциональный радиофизический измерительный комплекс, включающий радиоприемные комплексы КВ, ДВ, СДВ диапазона, комплекс мультисистемных приемников глобальных навигационных спутниковых систем, магнитометрический комплекс, электроизмерительный комплекс, комплекс акустических и инфразвуковых измерений, оптическую аппаратуру. Все измерительные системы комплекса работают с единой привязкой по времени, что позволяет проводить исследования взаимосвязанных процессов в системе литосфера-атмосфера-ионосфера-магнитосфера Земли. В ГФО размещен сервер приема, накопления и первичной обработки измерительной информации, связанный системой спутниковой связи с основным сервером данных, размещенным в Москве в ИДГ РАН. Мониторинг вариаций электромагнитных полей в килогерцовом диапазоне в ГФО «Михнево» ведется с использованием высокочувствительной широкополосной аппаратуры с 2014 года. Радиофизический комплекс обсерватории позволяет принимать сигналы от СДВ станций, находящихся на расстояниях в несколько тысяч км от точки приема.
Проект предполагает поэтапное выполнение экспериментальных и теоретических исследований. На первом этапе выполнения проекта предполагается формирование базы данных регистрации амплитудно-фазовых характеристик сигналов от СДВ станций, принимаемых в геофизической обсерватории «Михнево» за период с 2014 по 2021 год, совместно со спутниковыми данными по измерению потока рентгеновского и ультрафиолетового излучения для солнечных вспышек М и Х классов. Для анализа состояния и динамики нижней ионосферы во время солнечных вспышек предполагается использование экспериментальных данных регистрации сигналов от двух СДВ передатчиков: GQD (22100 Гц, 54.732º С.Ш., 2.883º З.Д.) и GBZ (19580 Гц, 54.912º С.Ш., 3.278º З.Д.), расположенных в Великобритании на расстоянии 32 км друг от друга. Выбор этих передатчиков обусловлен тем, что расстояние между ними пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до приемника (~2500 км). Поэтому можно считать, что их сигналы распространяются вдоль одной трассы.
В 2022 году предполагается расширение и оптимизация под задачи проекта сервера данных в ИДГ РАН. Для обеспечения доступа и использования данных измерений будет создан специализированный открытый веб-портал, обеспечивающий широкие возможности по получению и использованию измерительной информации. Расчеты и оценки эффектов нижней ионосферы будут проведены в полном объеме на этапе 2023 г. Для расчетов предполагается использовать в основном данные измерений во время вспышек, произошедших в дневное время суток, когда ионосферу можно считать равномерно освещенной и изотропной на обеих трассах распространения радиосигнала. Профиль электронной концентрации D-области предполагается описывать в рамках двухпараметрической модели, в которой распределение Ne определяется эффективной высотой отражения радиосигнала h’ (км) и скоростью увеличения электронной концентрации с высотой β (км−1) − скорость увеличения электронной концентрации с высотой: Ne(z)см-3=1.49∙107∙exp((β-0.15)(z-h'))∙exp(-0.15h'), где z (км) – высота.
С использованием программного комплекса LWPC для обеих трасс будут получены всевозможные значения амплитуд и фаз сигналов от передатчиков GQD и GBZ, измеренные в ГФО «Михнево» для параметров h’ и β верхней стенки волновода, которые варьировались в диапазонах от 50 до 80 км (h’) и от 0.2 до 0.95 км-1 (β). Для всех вспышек будут оценены вариации амплитуды и фазы ОНЧ сигналов от обоих передатчиков. Дальнейшее сопоставление экспериментальных данных по вариации амплитуды и фазы СДВ сигналов с результатами расчетов с использованием программного комплекса LWPC позволит восстановить динамику параметров h’ и β и профиля Ne в нижней ионосфере во время солнечных вспышек различного класса. Сопоставление полученных результатов динамики Ne с данными потока рентгена и ультрафиолета позволит получить эмпирическую модель состояния и динамики нижней ионосферы во время солнечных вспышек.

при поддержке

2022 г.

Были расширены и оптимизированы возможности сервера данных ИДГ РАН. Для обеспечения общего доступа и возможности использования экспериментальных данных вариаций электромагнитных сигналов ОНЧ станций, зарегистрированных в ГФО «Михнево», был создан специализированный открытый веб-портал: https://idg.ras.ru/data/calendar_VLF_2014.html. Была модернизирована методика восстановления динамики профиля электронной концентрации нижней ионосферы во время солнечных вспышек. Модернизация методики позволила в автоматическом режиме восстанавливать высотный профиль Ne нижней ионосферы в спокойных (пред вспышечных) и возмущенных (во время вспышки) условиях с использованием данных двухчастотных трасс. Важным результатом является разработанная методика оценки потоков рентгеновского излучения для солнечных вспышек различного класса в более коротких диапазонах длин волн, выходящих за пределы измерений спутников GOES. Эта методика позволила установить, что динамика концентрации электронов в нижней ионосфере пропорциональна энергии излучения вспышки. Комплексный анализ динамики профиля Ne, рассчитанного по модели Фергюсона–Уайта, и потоков рентгеновского излучения в различных диапазонах длин волн впервые позволил оценить коэффициенты ионизации K_i(h,lambda) и определить спектральные диапазоны излучения, оказывающие наибольшее влияние на динамику электронной концентрации на различных высотах во время солнечных вспышек.

Публикации :

И.А. Ряховский, Ю.В. Поклад, Б.Г. Гаврилов Оценка ионизации нижней ионосферы во время солнечных вспышек X класса по данным ОНЧ-наблюдений // Геомагнетизм и аэрономия. – 2023. – Т. 63, № 4. – С. 422-428. https://doi.org/10.31857/S0016794022600648

при поддержке

По любым вопросам можно связаться с

Ряховским Ильей Александровичем
ryakhovskiy88@yandex.ru

Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1,
лаборатория Литосферно-ионосферных связей

при поддержке