Наклонное радиозондирование субавроральной ионосферы по измерениям дигизондов и модельные расчеты

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 550.388.2 А Е. Степанов, Л. Д. Филиппов

НАКЛОННОЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ДИГИЗОНДОВ И МОДЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Исследуется прохождение радиоволн коротковолнового диапазона на субавроральной односкачковой трассе Якутск - Жиганск (620 км) с использованием на концах радиотрассы цифровых переносных ионозондов. Временная синхронизация режимов передачи и приема радиосигналов позволяет провести одновременное наклонное зондирование ионосферы с обеих сторон трассы наряду с хорошим обеспечением данными вертикального зондирования ионосферы. Такое совмещение вертикального и наклонного зондирований в одном радиотехническом устройстве значительно расширяет возможности исследования динамики и структуры ионосферы. Выявлено, что на типичные ионограммы вертикального зондирования накладываются дополнительные характерные следы наклонного радиозондирования ионосферы. Анализ дополнительных следов отражений показал, что наклонные сигналы наблюдаются почти круглосуточно, за исключением периодов больших ионосферных возмущений. Периоды одностороннего прохождения радиоволн сопровождаются появлением на трассе спорадического Es слоя. Проведено сопоставление наклонных следов на ионограммах с расчетами распространения радиоволн на параболической модели. В основу численных расчетов положены реальные параметры субавроральной ионосферы и не учтено геомагнитное поле Земли. Показано, что наиболее близкое соответствие с наблюдаемыми наклонными радиоотражениями на ионограм-мах наблюдается при горизонтально-стратифицированной ионосфере между конечными пунктами.

Ключевые слова: распространение радиоволн, наклонное и вертикальное зондирование, моды распространения, односкачковая радиотрасса, ионосфера, ионограмма, следы отражений, геомагнитные условия, критическая частота слоя, высоты основания и максимума слоя,параболический слой, модельные расчеты.

A E. Stepanov, L. D. Filippov

Oblique-Incidence Ionospheric Radio Sounding Measurements Using Digisondes Data and Model Calculations

The propagation of high frequency radio waves at subauroral one-hop Yakutsk - Zhigansk (620 km) padiopath with the usage of the digital portable ionosondes is researched. Time synchronization of transmission and reception modes of radio signals allows holding of simultaneous oblique sounding of the ionosphere on both sides of the path, along with a good data

СТЕПАНОВ Александр Егорович - к. ф.-м. н., доцент, с. н. с. лаборатории магнитосферно-ионосферных исследований Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: a_e_stepanov@ikfia.sbras.ru

STEPANOV Aleksandr Egorovich - Candidate of Physical-Mathematical Sciences, Associate Professor, Senior Scientific Researcher of the Laboratory of Magnetosphere-Ionosphere Studies, the Institute of Cosmophysical Researches and Aeronomy named after Yu. G. Shafer, the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: a_e_stepanov@ikfia.sbras.ru

ФИЛИППОВ Ленгвард Дмитриевич - к. ф.-м. н., ведущий инженер лаборатории магнитосферно-ионосферных исследований Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: l.d.filippov@ikfia.sbras.ru

FILIPPOV Lengvard Dmitrievich - Candidate of Physical-Mathematical Sciences, Leading Engineer of the Laboratory of Magnetosphere-Ionosphere Studies, the Institute of Cosmophysical Researches and Aeronomy named after Yu. G. Shafer, the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: l.d.filippov@ikfia.sbras.ru

of vertical sounding of the ionosphere. Such a combination of vertical and oblique sounding in one-radio devices greatly expands the possibilities for investigating the dynamics and structure of the ionosphere. It was revealed that the typical vertical sounding ionograms impose additional characteristic traces of oblique sounding ionosphere. Analysis of additional trace reflections showed that oblique signals are under observation almost day and night, except during periods of large ionospheric disturbances. In the period of one direction waves passing the sporadic E layer occurs. A comparison of oblique-incidence traces on ionograms with calculations of radio wave propagation on a parabolic model was made. The basis of the numerical calculations on real parameters of the subauroral ionosphere, the Earth’s geomagnetic field was not taken into account. It is shown that the closest match to the observed curve of radio reflections on ionograms can be revealed in horizontally stratified ionosphere between endpoints.

Key words: radio wave expansion, oblique and vertical sounding, expansion modes, single hop radio paths, ionosphere, ionogram, reflection traces, geomagnetic conditions, the critical frequency of the layer, heights of the foundation and the

maximum layer, parabolic layer, model calculations.

Введение

С конца ноября 2002 г. ионосферная станция Якутск (62.0N, 129.8E) и с ноября 2003 г. станция Жиганск (66.8N, 123.4E), входящие в Якутскую меридиональную цепочку Якутск - Жиганск - Тикси, были оснащены ди-гизондами (цифровыми ионозондами) DPS-4, выпускаемыми Центром атмосферных исследований при Массачусетском Университете, Лоуэлл, США [1-4]. Дигизонд DPS-4 представляет собой фазово-когерентную программно-управляемую систему, снабженную 4-мя приемными антеннами, и соединяет в себе практически все известные достижения систем вертикального зондирования: цифровая регистрация и автоматическая обработка данных, поляризационное разделение обыкновенной и необыкновенной компонент, возможность измерения доплеровского сдвига частоты и углов прихода на произвольной сетке частот, имеет внутриимпульсное фазовое кодирование, цифровое сжатие импульса и доплеровское интегрирование. Сбор данных, управление, обработка сигналов, хранение и автоматические функции анализа данных сконцентрированы в многозадачной и многопроцессорной компьютерной системе. Более подробную информацию о характеристиках и параметрах дигизонда можно получить на сайте производителя [5].

Аппаратура, данные и методика эксперимента

Зондирование ионосферы в Якутске и Жиганске дигизондами DPS-4 ведется в диапазоне 1-14 МГц по стандартной 15-минутной программе. Синхронизация работы ионозондов поддерживается спутниковыми датчиками времени типа GPS, что дало возможность начать регулярные синхронные измерения методом наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) на субавроральной радиотрассе Якутск - Жиганск. В качестве передающих антенн в Якутске использовались скрещенные антенны типа «ромб вертикальный», а в Жиганске скрещенные антенны типа «дельта». Диаграммы направленности антенн позволяют излучать радиоволны в вертикальном направлении и наклонном до 60-70 градусов от зенита. Совершенно одинаковые приемные системы антенной решетки в Якутске и Жиганске, ориентированные по магнитному полю, обеспечивают прием сигналов со всех направлений. Как показали наблюдения, синхрон-

ность работы ионозондов достаточна для получения на ионограммах одновременных устойчивых наклонных отражений в Жиганске - от якутской DPS-4, а в Якутске от жиганской. Таким образом, сформировалась уникальная система НЗИ, когда на обоих концах радиотрассы-функционируют и передатчики, и приемники, работающие в синхронном режиме.

На рис. 1 представлены ионограммы дигизондов в Якутске и Жиганске с разделенным по времени запуском передатчиков (разделение 1 минута) в 00.30 ит 5 мая 2004 г. и одновременном синхронном зондировании в 02.00 ит. (Отметим, что местное время в Якутске и Жиганске равно мировому времени плюс 9 часов). Рисунок показывает, что при разделенном по времени зондировании на ионограммах присутствуют следы только вертикальных отражений от ионосферы (рис. 1 А, Б), а при синхронном зондировании появляются дополнительно характерные следы наклонных отражений (рис. 1 В, Г).

Такие следы в согласии с [6-8] видны на дальностях, которые соответствуют расчетам для односкачковых трасс от Е, F1 и F2 слоев ионосферы. В нашем случае дальность радиотрассы составляет около 620 км, что соответствует односкачковой трассе. Во многих случаях хорошо просматриваются «верхние» и «нижние» лучи у обыкновенной и необыкновенной компонент наклонных отражений.

Для обработки сигналов НЗИ на ионограммах станций Якутск и Жиганск брались плоская часть нижних лучей каждой из мод распространения и точка схождения нижнего и верхнего лучей обыкновенной компоненты. Пример фрагмента ионограммы, где видны наклонные следы 1Е, №1 и Ш2, показан на рис. 2. Их низко- и высокочастотные пределы отмечены стрелками. Здесь также видны следы вертикальных отражений от Е, F1 и F2 слоев ионосферы.

На рис. 3 приведены примеры ионограмм вертикального зондирования, наверху - ст. Якутск, внизу - ст. Жи-ганск, где зарегистрированы следы наклонных радиоотражений. На ионограммах отражения от регулярных слоев области F отмечены как Е, F1 и F2, а наклонные следы как №2. Нередко на ионограммах регистрируются следы 1Е, №1 и даже 2F2.

Рис. 1. Ионограммы вертикального зондирования без наклонных отражений

Рис. 2. Пример ионограммы, где зарегистрированы наклонные следы 1Е, №1 и №2. Для наглядности восприятия они обведены маркером

їм

Якутск, 15 ноября 2004 г., 02.40 1Г!

1 '2

І .

.... - »А:

Т?.

*ганск, 15 ноября 2004 г., 02

Ж 40 Л'

^ " 5 !

= • " Г . :

1Р2

І г і

2 - т.'- .".

4 у

¥2

^Цгп-г-

1

Якутск, 14 мая 2004 г., 22 .45 [Л

.. І п г* ы— ’ * -*? 1Р2 *

£Й1Г

„

Жиганск 14 и юня2005 11.15 ЦТ

і: .

И.1.

-!І 1¥2

- .і -4 —3^ гг

Ш 2 .. =

¥2 :

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 МНг

Рис. 3. Примеры зимних и летних ионограмм вертикального зондирования, где зарегистрированы наклонные следы радиоотражений

Методика обработки наклонных сигналов на ионо-граммах заключается в следующем: фиксируются начальная частота нижних лучей и точка схождения нижних и верхних лучей обыкновенной компоненты (предельная частота нижних лучей), т. е. берется частотный диапазон регистрации нижних лучей.

Анализ результатов наблюдения и обсуждение

Влияние ионосферы на распространение радиоволн представляет самостоятельный практический интерес и используется для исследования динамики и структуры ионосферы. Совместное использование вертикального и наклонного зондирования расширяет возможности изучения ионосферы, тем более если они совмещены в одном радиотехническом устройстве. Следует отметить, что при больших возмущениях на авроральных и суб-авроральных радиотрассах часто наблюдается полное или частичное поглощение радиоволн коротковолнового диапазона. Поэтому наши исследования касаются спокойных и средне-возмущенных уровней геомагнитной активности.

На рис. 4 приведены зависимости частотного диапазона сигналов НЗИ от изменений частотных параметров ионосферы 9 мая и 13 мая 2004 г., отдельно для Жиганска (а, в) и Якутска (б, г). В геомагнитном отношении 9 мая был магнитоспокойным днем - сумма трехчасовых индексов Кр за сутки составляла 10. Видно, что сигналы НЗИ регистрируются круглосуточно на обоих концах радиолинии. В течение суток дальности

наклонных отражений хорошо согласуются с появлением и исчезновением ионосферных слоев и с изменениями их действующих высот. Здесь вертикальными отрезками на часовых значениях нанесены диапазоны частот сигналов НЗИ для нижних мод распространения следа №2, точками - критические частоты слоя F2 (foF), светлыми кружочками - критические частоты слоя Е (ВэЕ), а темными квадратиками - наименьшая частота отражений от ионосферы (Гтш).

Из рисунка можно видеть, что в Якутске и Жиган-ске сигналы НЗИ наблюдаются почти круглосуточно, т. е. на обоих концах радиотрассы. Частотные диапазоны соответствующих мод распространения, наблюдаемых в Якутске и в Жиганске, приблизительно совпадают, за исключением единичных случаев одностороннего прохождения (например, в 03.00 часа иТ). Суточный ход верхней границы частотного диапазона наклонных отражений от слоя F2 следует суточным изменениям максимальных значений йэЕ По-видимому, на ход его нижней границы оказывает значительное влияние критическая частота ВэЕ, поэтому ширина дневного диапазона, составляющая 0.5-1.0 МГц, расширяется к ночным часам до 4-5 МГц. Частоты сигналов НЗИ от слоев Е и F1 соответствуют суточному ходу их критических частот для спокойных условий. Суточный ход значений Втш не коррелирует с ходом нижних частот всех наблюдаемых мод распространения радиосигнала.

Рис. 4. Зависимость частотного диапазона сигналов НЗИ от изменений частотных параметров ионосферы: 9 мая (а, б) - спокойный день и 13 мая 2004 г. (в, г) - средне-возмущенный день

При средне-возмущенных условиях 13 мая 2004 г. (рис. 2 в, г), когда сумма Кр = 19, сигналы НЗИ хоть и наблюдаются почти круглосуточно, но они в основном односторонние, а иногда (в 19.00 иТ) исчезают совсем, по-видимому, из-за экранирующих свойств слоя Es. С другой стороны, возможно наблюдение наклонных отражений при полном поглощении вертикальных отражений (05.00 иТ, Жиганск). Это может свидетельствовать о слабом влиянии слоя D на прием сигналов НЗИ.

Еще один пример такого случая виден в 05.45 иТ. Он интересен тем, что при слабых вертикальных отражениях (Втт=3.7 Мгц) четко видны моды 1Е, №1, Ш2 и редко наблюдаемая мода 2F2 (650 км, 5.7-6.0 Мгц). Здесь же можно видеть часто наблюдаемый факт существенного расхождения высотных и частотных характеристик ионосферы, измеряемых при вертикальном зондировании лучами с положительной и отрицательной поляризацией.

Наряду с этим следует отметить, что наблюдается ряд таких особенностей распространения радиоволн, которые, возможно, связаны с точкой отражения в середине радиотрассы:

- часто в вечернее время сигналы НЗИ от слоев Е и F1 могут отсутствовать, хотя обе станции показывают наличие слоев, дающих в иное время хорошие наклонные отражения;

- наклонные отражения от Es в ночное время часто односторонние, т. е. если одна станция их регистрирует, другая не регистрирует. Их частотный диапазон не стабилен.

Анализ азимутальных характеристик принимаемых радиосигналов НЗИ на обоих концах радиотрассы за исследованный период показывает, что траектории распространения радиоволн в дневное время, когда ионосфера не возмущена, объясняется простыми траекториями распространения радиоволн [9]. В интервалы же перестройки ионосферы или во время геомагнитных возмущений наблюдается распространение радиоволн по несимметричным траекториям - многомодовые за счет рассеяния, с отклонением траектории от дуги большого круга и т. п. [10-13]. Такое распространение наблюдается, в основном, в вечернее и ночное время, когда за счет высыпаний мягкоэнергичных частиц формируется спорадическая ионизация в слое F2 или когда появляется дополнительный след F2s - след отражений от полярной стенки главного ионосферного провала [14].

Численные расчеты распространения радиоволн

Для расчетов по моделированию распространения радиоволн принимались следующие допущения: радиотрасса односкачковая, длина трассы составляет D = 620 км (расстояние от Якутска до Жиганска), слой параболический, магнитное поле Земли не учитывается. Параметры, определяющие параболический слой следующие: максимальная концентрация слоя, т. е. критическая частота слоя F, начальная частота отражений от F-слоя, высота основания слоя и высота максимума слоя F [6; 12]. Все эти параметры снимались с реальных ионограмм вертикального зондирования.

На рис. 5 приведены сопоставления расчетов распространения радиоволн на параболической модели с реаль-

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 Г, МНг

Рис. 5. Сопоставление наклонных следов на ионограммах и результатов численного расчета за 3 и 22 июня 2005 г

ными следами наклонных отражений на ионограммах. Видно, что 3 июня (верхняя панель) в Жиганске наблюдаются наклонные отражения только от одного слоя F2, тогда как 22 июня на ионограмме (нижняя панель) зарегистрированы следы от трех слоев ионосферы - Е, F1 и F2. Такое различие в следах отражений четко характеризует физические условия распространения радиоволн - вечерне-ночной и дневной секторы местного времени соответственно.

На рисунке 5 также приведены основные параметры регулярных слоев, наклонных отражений и модельных вычислений. Видно хорошее соответствие расчетных следов с наклонными следами, зарегистрированными на ионограммах.

Наиболее близкие к наблюдаемым наклонным отражениям расчетные кривые получаются при горизонтально-стратифицированной ионосфере между конечными пунктами радиотрассы.

Заключение и выводы

Анализ ионограмм вертикального зондирования ионосферы и наблюдений методом наклонного зондирования ионосферы на субавроральной радиотрассе Якутск-Жиганск, оснащенной на обеих концах цифровыми ионозондами DPS-4, привел к следующим выводам:

- на односкачковых трассах дигизонд DPS-4 является перспективным инструментом для проведения измерений характеристик радиоволн методом НЗИ и условий их прохождения;

- сигналы НЗИ наблюдаются круглосуточно, за исключением периодов значительных ионосферных возмущений;

- случаи одностороннего распространения сопровождаются появлением на трассе спорадических Es отражений. Существенного влияния значений Вшт на изменения условий прохождения сигналов НЗИ на субавро-ральной трассе Якутск - Жиганск не обнаружено, а ход значений &Е отслеживает суточный ход низкочастотного конца наблюдаемого диапазона частот;

- расчеты на параболической модели показали близкое соответствие с наблюдаемыми наклонными радиоотражениями на ионограммах.

Проведенный анализ также подчеркнул, что условия распространения радиоволн и их траектории в зоне главного ионосферного провала зависят от уровня геомагнитной активности. Для понимания нестандартных ситуаций распространения радиоволн необходимы дополнительные численные расчеты на нестационарных моделях ионосферы.

Настоящая работа частично выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-05-98518-р_восток_а) и Программы Президиума РАН № 16 часть 3.

Л и т е р а т у р а

1. Reinisch B. W. New Techniques in Ground-Based Ionospheric Sounding and Studies // Radio Science. - 1987. - V. 21. - N 3.

2. Reinisch B. W., Haines D. M., Kuklinski W. S. The New Portable Digisonde for Vertical and Oblique Sounding // AGARD Conf. Proc. - 1992. - CP - 502. - P. 1-11.

3. Bibl K. Evolution of the Ionosonde // Annali di Geofisika. -1998. - V. 41. - N 5-6. - P. 667-680.

4. Reinisch B. W., Scali L., Haines D. M. Ionospheric Drift Measurements with Ionosondes // Annali di Geofisika. - 1998. -V. 41. - N 5-6. - P. 695-702.

5. http://ulcar.uml.edu (дата обращения 20.02.2014).

6. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. -502 с.

7. Лукашкин В. М.,Смирнов В. Б., Широчков А. В. Использование наклонного зондирования для изучения условий распространения радиоволн и прогнозирования // Тр. ААНИИ. -1983. - Т. 390. - С. 6-22.

8. Инструкция по обработке ионограмм наклонного зондирования / Под ред. Виноградовой Ю. В. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 127 с.

9. Калинин А. И., Черенкова Е. Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Связь, 1971. - 439 с.

10. Степанов А. Е., Халипов В. Л., Смирнов В. Ф., Отпу-щенко А. А. Субавроральная и авроральная ионосфера и коротковолновая радиосвязь на северо-востоке России // Материалы межд. научно-практической конф. САКС-2001. - Красноярск, 2002. - Ч. IV. - С. 57-66.

11. Krasheninnikov I. V, Jodogne J.-C., Alberca L. F. Compatible analysis of vertical and oblique ionospheric sounding data // Annali di Geofisika. - 1996. - V. 39. - N 4. - P. 763-768.

12. Krasheninnikov I. V., Pezzopane M., Scotto C. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AIS- Parus ionosonde // Computers & Geosciences. - 2010. - V. 36. - P. 628-635.

13. Хотенко Е. Н., Калинин Ю. К. Об информативности сигналов возвратно-наклонного зондирования ионосферы // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4; URL: www.science-education.ru/104-6742

14. Гальперин Ю. И.,Сивцева Л. Д., Филиппов В. М., Халипов В. Л. Субавроральная верхняя ионосфера. - Новосибирск: Наука, 1990. - 192 с.

15. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионо-грамм. - М.: Наука, 1977. - 342 с.

R e f e r e n c e s

1. Reinisch B. W. New Techniques in Ground-Based Ionospheric Sounding and Studies // Radio Science. - 1987. - V. 21. - N 3.

2. Reinisch B. W., Haines D. M., Kuklinski W. S. The New Portable Digisonde for Vertical and Oblique Sounding // AGARD Conf. Proc. - 1992. - CP - 502. - P. 1-11.

3. Bibl K. Evolution of the Ionosonde // Annali di Geofisika. -1998. - V. 41. - N 5-6. - P. 667-680.

4. Reinisch B. W., Scali L., Haines D. M. Ionospheric Drift Measurements with Ionosondes // Annali di Geofisika. - 1998. - V. 41. - N 5-6. - P. 695-702.

5. http://ulcar.uml.edu (data obrashenija: 20.02.2014).

6. Djevis K. Radiovolny v ionosphere. - M.: Mir. 1973. - 502 s.

7. Lukashkin V. M., Smirnov V. B., Shirochkov A. V. Ispol’zovanie naklonnogo zondirovanija dlja izuchenija uslovij

rasprostranenija radiovoln i prognozirovanija // Tr AANII. - 1983.

- T. 390. - S. 6-22.

8. Instrukcija po obrabotke ionogramm naklonnogo zondirovanija / Pod red. Vinogradovoj Ju. V. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - 127 s.

9. Kalinin A. I., Cherenkova E. L. Rasprostranenie radiovoln i rabotaradiolinij. - M.: Svjaz’, 1971. - 439 s.

10. Stepanov A. E., Halipov V. L., Smirnov V. F., Otpushhenko A. A. Subavroral’naja i avroral’naja ionosfera i korotkovolnovaja radiosvjaz’ na severo-vostoke Rossii // Materialy mezhd. nauchno-prakticheskoj konf. SAKS-2001. - Krasnojarsk, 2002. Ch. IV. -

S. 57-66.

11. Krasheninnikov I. V, Jodogne J.-C., Alberca L. F. Compatible analysis of vertical and oblique ionospheric sounding data // Annali di Geofisika. - 1996. - V. 39. - N 4. - P. 763-768.

12. Krasheninnikov I. V, Pezzopane M., Scotto C. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AIS- Parus ionosonde // Computers & Geosciences. - 2010. - V. 36. - P. 628-635.

13. Hotenko E. N., Kalinin Ju. K. Ob informativnosti signalov vozvratno-naklonnogo zondirovanija ionosfery // Sovremennye problemy nauki I obrazovanija. - 2012. - N° 4; URL: www.science-education.ru/104-6742.

14. Gal’perin Ju. I., Sivceva L. D., Filippov V. M., Halipov V. L. Subavroral’naja verhnjaja ionosfera. - Novosibirsk: Nauka, 1990. - 192 s.

15. Rukovodstvo URSI po interpretacii i obrabotke ionogramm.

- M.: Nauka, 1977. - 342 s.