О влиянии вариаций электрического поля на состояние ионосферы над обсерваторией Воейково

Вертикальное радиозондирование является одним из основных методов, позволяющим эффективно проводить мониторинг состояния ионосферы. Полученные данные используются для решения широкого круга практических и теоретических задач. В настоящее время ведутся работы в направлении автоматизации обработки ионограмм и передачи данных ионосферных наблюдений в международную сеть ( Гришинцев, Коробейников , 2013).

Помимо результатов вертикального зондирования, для анализа состояния ионосферы широко используются как теоретические (Schunk, Soika, 1996; Namgaladze et al., 1998a,b; 2000; 2003; Mingalev et al., 2011), так и эмпирические модели (Bilitza, 2001; Sergienko, Ivanov, 1993; Schunk, 1996). Эмпирические модели основываются на совокупности данных наблюдений за ионосферой. Такие модели из-за усреднений не могут воспроизводить распределения параметров, соответствующие нестандартным условиям, например конкретному геомагнитному возмущению. Таким образом, для проведения эффективного мониторинга целесообразно использовать адаптацию ионосферных моделей с учетом данных непосредственных измерений, полученных, в частности, при помощи вертикального зондирования.

Широко используемой эмпирической моделью ионосферы является глобальная модель IRI (International Reference Ionosphere) ( Canadian advanced digital ionosonde , 2009), рекомендуемая Committee on Space Research (COSPAR) и International Union of Radio Science (URSI). Последняя версия модели IRI-2012 основана на данных измерений мировой сети ионозондов, радаров некогерентного рассеяния, спутников и ракет. Она рассчитывает электронную концентрацию, температуру электронов и ионов; ионный состав и дрейфовую скорость в диапазоне высот от 50 до 1 500 км.

Оценка1 применимости результатов расчетов по эмпирической модели IRI-2012 в качестве дополнительного инструмента на этапе первоначальной обработки ионограмм и при анализе данных для субавроральной станции СПбф ИЗМИРАН в Воейково Ленинградской области, показала, что в условиях спорадической ионизации необходимо использовать модели высокоширотной ионосферы, включающие блок корпускулярного ионообразования. При определении, является ли ионосфера над станцией Воейково субавроральной или среднеширотной, ионосферные параметры, рассчитанные с применением глобальной трехмерной самосогласованной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), были сопоставлены с данными вертикального зондирования, а также с прогностическими данными эмпирических моделей IRI-2012 и IRI-Plas (International Reference Ionosphere Extended to the Plasmasphere).

2.    Измерения и численные расчеты

В ходе измерений параметров ионосферы на магнито-ионосферной станции Воейково СПбф ИЗМИРАН использовался цифровой ионозонд CADI (The Canadian Advanced Digital Ionosonde) производства Scientific Instrumentation Limited (SIL, Канада) ( Canadian advanced digital ionosonde , 2009). В таблице приведены основные технические характеристики ионозонда CADI.

Таблица. Технические характеристики ионозонда CADI

Характеристика	Значение
Мощность передатчика, Вт	600
Диапазон высот, км	90–1020
Диапазон частот, МГц	1–20
Разрешение по высоте, км	6
Максимальная длительность импульсов, мкс	40

Для рассматриваемого периода с 1 по 28 февраля 2013 г. анализировались ионограммы вертикального зондирования с временным разрешением 15 мин, доступные в сети Интернет2. Часовые и среднемесячные значения критических частот foF2 определялись по ионограммам вертикального зондирования.

В работе ( Nikolaeva et al ., 2014) указанные реальные данные рассматривались в сопоставлении с расчетом по модели IRI-2012. В настоящей работе данные вертикального зондирования сопоставлялись с прогнозами как модели IRI-2012, так и IRI-Plas, доступные в сети Интернет³.

Кроме того, для рассматриваемых гелиофизических условий были проведены расчеты часовых критических частот F2-слоя ионосферы с использованием модели UAM. Модель охватывает околоземное пространство с высоты 60-80 км (нижняя граница переменная) до геоцентрического расстояния, равного 15 земным радиусам, как единую систему и рассчитывает трехмерные вариации концентраций, скоростей движения и температур нейтральных и заряженных частиц, а также распределение электрического потенциала посредством решения уравнений непрерывности, движения, теплового баланса, а также уравнения для электрического потенциала ( Namgaladze et al ., 1988; 1998a; 1998b). В проведенных расчетах нейтральный состав находился по эмпирической модели MSIS, скорости нейтрального ветра – по модели HWM-93.

Среднемесячные значения критических частот foF2, полученные исходя из данных вертикального радиозондирования на станции Воейково, соответствующие значения по эмпирическим моделям IRI-2012 и IRI-Plas, а также рассчитанные значения с использованием теоретической модели UAM приведены на рис. 1. Часовые значения критических частот представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 1. Среднемесячные значения критических частот foF2 за февраль 2013 г. для каждого часа суток, где n – количество данных foF2 CADI за каждый час.

Вертикальными линиями обозначены стандартные отклонения критических частот

04.02.2013 г.

Рис. 2. Рассчитанные по модели UAM значения критических частот foF2, меридиональной и зональной компонент вектора электрического поля на высоте 300 км (Em 300 и Ez 300), а также индексы Кр, Ki, AE, AU для 04.02.2013 и 21.02.2013

21.02.2013 г.

12.02.2013 г.                                                            02.02.2013 г.

Рис. 3а. Измеренные значения критических частот (foF2 CADI), эмпирические данные (foF2 IRI-Plas), рассчитанные значения (foF2 UAM), а также значения индексов Кр, Ki, AE, AU для некоторых дней февраля 2013 г.

24.02.2013 г.                                                            21.02.2013 г.

Рис. 3б. Измеренные значения критических частот (foF2 CADI), эмпирические данные (foF2 IRI-Plas), рассчитанные значения (foF2 UAM), а также значения индексов Кр, Ki, AE, AU для некоторых дней февраля 2013 г.

Рис. 4. Карты foF2 UAM, в 17.00 UT 04.02.2013 (слева) и 21.02.2013 (справа). Светлая стрелка указывает на точку Воейково

UAM 04.02 201323 UT                          UAM 21 02 2013 23 UT

Magnetic longitude (deg)                                Magnetic longitude (deg)

Рис. 5. Карты foF2 UAM, в 23.00 UT 04.02.2013 (слева) и 21.02.2013 (справа). Светлая стрелка указывает на точку Воейково

Как видно из рисунков, реальные данные foF2 находятся в диапазоне значений между прогнозами моделей IRI-2012 и IRI-Plas. Критические частоты, рассчитанные по модели UAM, находятся в удовлетворительном согласии как с данными измерений, так и с эмпирическими данными, за исключением данных измерений, проведенных в часы, близкие к заходу Солнца. В это время суток значительное влияние оказывает электрическое поле ионосферы: мериодиональная компонента электрического поля E m изменяет значения критических частот F2-слоя (рис. 2).

При расчете по модели UAM точка Воейково расположена скорее в субавроральной зоне, нежели в среднеширотной зоне (рис. 4, 5). При этом отмечаются большие вариации foF2 на границе зоны, при увеличении Кi, AE, AU вечером 21.02.2013 по отношению к тем же параметрам 04.02.2013.

3.    Заключение

В работе проведен анализ суточных данных критических частот F2-слоя ионосферы, измеренных в феврале 2013 г. методом радиозондирования на магнитной станции Воейково, расположенной в средних широтах. Реальные данные были сопоставлены с прогнозными значениями эмпирических моделей IRI-2012 и IRI-Plas, а также с рассчитанными по теоретической модели UAM. Измеренные значения foF2 находились в диапазоне между значениями по IRI-2012 и IRI-Plas, а также хорошо согласовывались с рассчитанными значениями, за исключением данных измерений, проведенных в вечерние часы. Это отличие объясняется большей зависимостью электронной концентрации в максимуме F2-слоя ионосферы от электрических полей и скоростей термосферных ветров в данное время суток. Таким образом, ионосфера над станцией Воейково ведет себя скорее как типичная субавроральная ионосфера, нежели как среднеширотная.

Полученные результаты используются при обработке ионограмм в СПбф ИЗМИРАН и могут быть применены на магнитно-ионосферных станциях при обработке данных вертикального зондирования ионосферы.