Сравнительный анализ данных о внезапных ионосферных возмущениях

Исследование распространения радиоволн ОНЧ-диапазона (частоты 5 ^ 30 кГц) важно как в невозмущенных, так и в аномальных условиях, поскольку они широко используются в дальней радиосвязи, в системах навигации. Во время вспышки Солнце представляет собой мощный источник рентгеновского и ультрафиолетового излучений, а также потока частиц с широким спектром энергий, в том числе космических лучей ( E ~ 1 ГэВ), субрелятивистских протонов с энергиями от 1 до 1000 МэВ, движущихся по спирали вдоль силовых линий геомагнитного поля и достигающих полярных областей за время от 80 мин до 4 ч, и облаков ионов и электронов с меньшими энергиями, которые попадают на Землю через 20–40 ч [1]. Увеличение интенсивности рентгеновского излучения, наблюдаемое во время хромосферных вспышек, немедленно вызывает возрастание электронной концентрации в ионосфере.

Рентгеновское излучение вспышек разделено на два диапазона: низкоэнергетичный – мягкое рентгеновское излучение с длинами волн более 1 А и энергиями менее 12 кэВ (этот диапазон представляет наибольший интерес при исследовании внезапных ионосферных возмущений) и высокоэнергетичный – жесткое рентгеновское излучение с X < 1 А и энергиями выше 12 кэВ. Такое изменение спектра во время вспышки позволяет солнечному излучению глубже прони- кать в ионосферу (коэффициент поглощения быстро уменьшается с уменьшением длины волны) и вызывать ионизацию на малых высотах.

При солнечной вспышке происходит выброс солнечной плазмы – увеличение плотности и скорости потока солнечного ветра. Достигая Земли приблизительно через двое суток, частицы плазмы вызывают возмущение магнитосферы – возникает магнитная буря. Во время магнитных бурь и суббурь происходит проникновение энергичных частиц в ионосферу, что вызывает изменение концентрации электронов [2].

Высоты ионосферы 58, 72, 83 и 90 км соответствуют высотам максимального поглощения (следовательно, и скорости ионизации) рентгеновского излучения с длинами волн 0.1, 0.2, 0.4 и 0.6 нм [3].

В данной статье показано, что распределение Пуассона достаточно хорошо описывает распределение отклонения фазы принимаемого сигнала от усредненного хода при внезапных ионосферных возмущениях (ВИВ). В работе [4] отмечается, что модель можно считать завершенной, если она позволяет прогнозировать при изменении каких-либо внешних условий вариации плотности распределения заданных радиофизических параметров.

1.    Геометрия трасс

Для сравнительного анализа, связанного с влиянием рентгеновского излучения на распространение радиоволн ОНЧ-диапазона рассма- © Нестеров В.И., 2018

Рис. 1. Геометрия трасс распространения

Таблица 1

Основные параметры трасс

Трасса распространения Длина трассы, км Азимут, град. Рабочие частоты, кГц Гавайи – Inubo 6096 68.9 10.2, 11.05, 13.6 Гавайи – Хабаровск 6573 41.3 10.2, 11.05, 13.6 Ля Реюньон – Хабаровск 11018 272.7 10.2, 11.05, 13.6 Ля Реюньон – Inubo 10967 285.4 10.2, 11.05, 13.6 тривались 4 трассы: две – передатчик радионавигационной системы «Омега» расположен на Хайку (Гавайские острова), две – передатчик расположен на острове Ля Реюньон в Индийском океане. В табл. 1 приведены основные параметры трасс, на которых проводились измерения фазы сигналов радионавигационной системы «Омега». Приемные пункты располагались: один в Хабаровске (Россия), другой в Inubo (Japan). На рис. 1 приведены трассы, на которых проводились исследования распространения сигналов во время внезапных ионосферных возмущений. Расстояние между приемными пунктами – 1502 км.

Угол расхождения между трассами составляет: Ля Реюньон – Хабаровск и Ля Реюньон – Inubo — 13.7 ° , а между Гавайи — Хабаровск и Гавайи — Inubo — 15.3 ° , соответственно. Практическое равенство углов означает, что длины трасс приблизительно одинаковы.

2.    Методика обработки экспериментальных данных

В работе [5] рассматривались результаты воздействия потока рентгеновского излучения на фазу принимаемого сигнала для четырех различных трасс распространения и различных частот. Изменение фазы принимаемого сигнала носит сложный характер, т. к. необходимо учитывать значительное число факторов, например, зенитный угол Солнца, географическое расположение трассы, интенсивность вспышечного потока рентгеновского излучения и т. д. Рассмотрено изменение фазы принимаемых сигналов от потока рентгеновского излучения во время вспышки без учета влияния других факторов. Основой для анализа были отклонения фазы принимаемого сигнала при внезапных ионосферных возмущениях, которые проходили одновременно на данной трассе распространения и данной частоте. Необходимо отметить, что уверенный прием происходил только на частоте 10.2 кГц (это, в первую очередь, относится к приемному пункту, расположенному в Хабаровске), что подтверждается числом анализируемых событий за период 1982–1984 гг., которое указано в табл. 2 в скобках. На других частотах (11.05 и 13.6 кГц) часто наблюдалось явление, которое носит название «потеря фазового цикла».

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между пиковым значением потока рентгеновского излучения и величиной фазовой аномалии (ненормированные и нормированные значения)

Трасса распространения	10.2 кГц		11.05 кГц		13.6 кГц
	ненорм.	норм.	ненорм.	норм.	ненорм.	норм.
Ля Реюньон – Хабаровск	–0.18940 (160)	–0.57795	–0.09264 (14)	–0.15739	–0.45116 (76)	–0.64511
Ля Реюньон – Inubo	–0.26345 (160)	–0.59238	–0.67502 (14)	–0.80106	–0.52597 (76)	–0.75839
Гавайи – Хабаровск	–0.49542 (276)	–0.50161	–0.32499 (18)	–0.84161	–0.71584 (143)	–0.69549
Гавайи – Inubo	–0.69540 (276)	–0.70254	–0.44000 (18)	–0.77890	–0.67940 (143)	–0.67852

Таблица 3

Максимальные отклонения фазы принимаемых сигналов во время внезапных ионосферных возмущений для различных трасс и частот как ненормированных, так и нормированных значений

Трасса распространения	10.2 кГц		11.05 кГц		13.6 кГц
	ненорм. (сц)	норм. (сц/Мм)	ненорм. (сц)	норм. (сц/Мм)	ненорм. (сц)	норм. (сц/Мм)
Ля Реюньон – Хабаровск	15	1.5	18	2	19	1.5
Ля Реюньон – Inubo	10	1.5	10	1	19	1.5
Гавайи – Хабаровск	18	2.5	12	2	19	2
Гавайи – Inubo	14	2	9	2	14	2.5

Данные для приемного пункта, расположенного в Inubo, взяты из еже ме сячного бюлле т еня «Ionospheric Data in Japan» [6].

В табл. 2 приведены коэффициенты корреляции между пиковыми значениями потока рентгеновского излучения в диапазоне 0.5-4 А и соответствующими максимальными значениями отклонения фазы принимаемого сигнала для рассматриваемых трасс распространения. Данные приведены как для непосредственных изменений фазы (ненормированные), так и отнесенные на единицу длины (1 Мм) освещенного участка трассы распространения радиосигналов (нормированные). Условие нормировки является правомерным, т. к. в этом диапазоне частот и на таких расстояниях распространение сигналов носит одномодовый характер [5; 7].

Как видно из табл. 2, значения коэффициента корреляции практически во всех рассматриваемых случаях незначительно увеличиваются. Это говорит о том, что необходимо учитывать другие факторы, а именно, местное время, геомагнитная широта, сезон, солнечная активность [8].

В табл. 3 приведены данные о максимальных отклонениях фазы принимаемых сигналов во время внезапных ионосферных возмущений для различных трасс и частоты, как ненормированных значений, так и нормированных (данные приведены для ненормированных в сантициклах (сц), для нормированных – сц/Мм).

Как видно из данной таблицы, максимальные отклонения фазы несколько выше для трасс, приемный пункт которых расположен в Хабаровске. Это можно объяснить тем, что длина трасс распространения различная. Однако нормированные значения достаточно хорошо согласуются между собой.

В табл. 4 приведены основные числовые характеристики распределения нормированной фазы принимаемого сигнала. Как известно, асимметрия характеризует несимметричность распределения случайной величины, а эксцесс – ча-

Таблица 4

Основные числовые характеристики распределения нормированной фазы принимаемого сигнала

	Ля Реюньон – Хабаровск			Ля Реюньон – Inubo
	10.2	11.05	13.6	10.2	11.05	13.6
среднее	2.53206	1.66354	2.08985	2.57884	1.92007	2.33899
дисперсия	1.93579	0.41575	1.72469	2.61501	0.93740	2.38713
асимметрия	1.39315	0.29154	1.38749	1.38243	0.22405	1.57284
эксцесс	2.31777	2.67740	1.51186	2.75504	2.30407	3.33858
	Гавайи – Хабаровск			Гавайи – Inubo
	10.2	11.05	13.6	10.2	11.05	13.6
среднее	3.91419	3.42355	3.53335	3.1736	3.26429	3.62438
дисперсия	4.57072	4.68097	3.53422	4.20935	4.27384	3.99477
асимметрия	1.25965	1.97728	1.06215	1.42504	1.37273	0.74215
эксцесс	2.31248	4.44913	0.99008	2.96593	1.57904	2.89937

Таблица 5

Сравнительные характеристики экспериментального и теоретического распределения Пуассона для нормированной фазы для рассматриваемых трасс

	Гавайи – Хабаровск			Гавайи – Inubo
	10.2	11.05	13.6	10.2	11.05	13.6
среднее	3.914194	3.423557	3.333355	3.173621	3.264296	3.624382
λ	3.671128	3.089888	3.097893	2.920036	2.794163	3.244412
	Ля Реюньон – Хабаровск			Ля Реюньон – Inubo
	10.2	11.05	13.6	10.2	11.05	13.6
среднее	2.532070	1.663544	2.089858	2.578839	1.920078	2.338992
λ	2.424242	1.597445	1.923695	2.079002	2.523836	2.172863

Рис. 2. Зависимость отклонение фазы принимаемого сигнала при ВИВах от log Г для рассматриваемых трасс распространения. Передатчик расположен на Гавайях: крестик – приемный пункт в Хабаровске, частота 10.2 кГц; окружность – на Inubo, частота 10.2 кГц; прямоугольник – в Хабаровск, частота 13.6 кГц; точка – на Inubo, частота 13.6 кГц. Аппроксимирующие кривые: сплошная – трасса Гавайи – Хабаровск, частота 10.2 кГц; точки – трасса Гавайи – Inubo, частота 10.2 кГц; пунктир – трасса Гавайи – Хабаровск, частота 13.6 кГц; штрихпунктир – трасса Гавайи – Inubo, частота 13.6 кГц

Рис. 3. Зависимость отклонения фазы принимаемого сигнала при ВИВах от log Г для рассматриваемых трасс распростране ния. Передатчик расположен в Ля Реюньон. Остальные обозначения как на рис. 2

стоту появления значений, удаленных от среднего значения.

Как видно из таблицы, параметры, которые характеризуют распределение Пуассона, хорошо согласуются между собой. Некоторое несоответствие на частоте 11.05 кГц можно отнести к тому, что число зарегистрированных событий незначительно.

В табл. 5 приведены сравнительные характеристики экспериментального и теоретического распределения Пуассона для нормированной фазы. Известно, что математическое ожидание (среднее значение) случайной величины, подчиняющейся распределению Пуассона, равно параметру λ [9].

Как видно из табл. 5, наблюдается хорошее соответствие между величинами средних значений отклонений фазы с параметром λ , что подтверждает подчинение распределения отклонения фазы во время внезапных ионосферных возмущений распределению Пуассона.

На рис. 2 представлена зависимость отклонения фазы принимаемого сигнала от log Γ (где Γ – поток рентгеновского излучение в диапазоне длин волн 0.5—4 А) для передатчика, расположенного на Гавайских островах. Статистическая обработка фазовых аномалий ( ∆ϕ ) показала, что аномалия хорошо описывается соотношением

∆ϕ = a+ blog Γ, где a, b – коэффициенты аппроксимации, величина которых зависит от частоты сигнала и длины трассы.

Как видно из рис. 2, аппроксимирующие прямые параллельны друг другу, причем для более короткой трассы они расположены несколько ниже, что можно предполагать.

На рис. 3 показаны отклонение фазы принимаемого сигнала и аппроксимирующие прямые для передатчика, расположенного на острове Ля Реюньон.

В отличие от рис. 2, аппроксимирующие прямые не параллельны друг другу, а имеют точки пересечения. Это можно объяснить разным расположением трасс распространения. Трассы с передатчиком на Гавайских островах расположены в северном полушарии, другая пара трасс – как в северном, так и южном, при этом, проходят через геомагнитный экватор.

Заключение

Показано, что отклонение фазы принимаемого сигнала во время внезапных ионосферных возмущений подчиняется распределению Пуассона на различных трассах распространения с различными точками приема сигнала. Показано, что уравнения регрессии, которые описывают отклонение фазы принимаемого сигнала от потока рентгеновского излучения, зависят от расположения пункта приема. Это означает, что необходимо учитывать сезонную вариацию концентрации электронов, которая зависит от расположения трассы распространения (в северном и южном полушарии).