Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-96401338810.12737/21815Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийModeling z-shaped disturbance along the Pedersen ray of oblique sounding ionogram using adaptation of IRI to experimental dataМоделирование z-образного возмущения на луче Педерсена дистанционно-частотной характеристики наклонного зондирования с использованием моделей ионосферыРомановаЕлена БорисовнаRomanovaElena Borisovna
КимАнтон ГеннадьевичKimAnton Gennadyevichkim_anton@mail.ruИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation0110201601102016244353https://zh-szf.ru/en/nauka/article/13388/view
Представлены результаты численного моделирования перемещающегося ионосферного возмущения, приводящего к z-образным перегибам на луче Педерсена на ионограммах наклонного зондирования. Выполнен траекторный синтез дистанционно-частотной характеристики наклонного зондирования двухмерно-неоднородной ионосферы с учетом перемещающегося ионосферного возмущения. Моделирование проводилось с использованием модели ионосферы IRI адаптированной по экспериментальным данным, и Глобальной модели ионосферы и плазмосферы.
We present the results of numerical modeling of a traveling ionospheric disturbance that causes z-shaped bends at the Pedersen ray of oblique incidence ionograms. The results of trajectory synthesis of oblique incidence ionograms are given for the ionosphere, taking into account the traveling ionospheric disturbance. In the work, we use the International Reference Ionosphere, adapted to experimental data, and the Model of Ionosphere and Plasmasphere.
ВВЕДЕНИЕИсследованию ионосферных неоднородностей, в том числе перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), посвящено большое количество работ [Maeda, Handa, 1980; Иванов и др., 1987; Бойтман, Калихман, 1989; Вугмейстер и др., 1993; Millward et al., 1993; Hocke, Schlegel, 1996; Афраймович и др., 2002; Ding et al., 2008]. Одновременно с суточными и сезонными вариациями параметров ионосферы (крупномасштабными неоднородностями) на высотах ионосферы всегда присутствуют движущиеся ионизированные структуры мелких и средних масштабов.Несмотря на появление и развитие космических средств зондирования, благодаря которым появилась возможность получать полное электронное содержание [Афраймович, Перевалова, 2006], исследование ионосферы с помощью ионозондов с линейной частотной модуляцией сигнала является актуальным и иногда единственным способом получения информации о канале связи. Важно понимать факторы, которые могут приводить к искажениям дистанционно-частотных характеристик (ДЧХ) наклонного зондирования (НЗ) и к отклонениям от средних значений колебаний суточного хода максимальных наблюдаемых частот (МНЧ). Вариации МНЧ с периодами более одного часа на трассах НЗ могут объясняться крупномасштабными ПИВ, проходящими трассу зондирования на высотах F-области [Кутелев, Куркин, 2011]. Вариации МНЧ меньших периодов часто сопровождаются наличием на ДЧХ z-образных перегибов на односкачковой моде 1F2 [Вертоградов и др., 2008], которые двигаются с течением времени по верхнему лучу (Педерсена) из области более высоких в область более низких задержек (иногда повторяя такое прохождение несколько раз).Целью работы было моделирование ПИВ, приводящего к z-образным перегибам на луче Педерсена на ДЧХ. Для моделирования среды распространения привлекались модели: International Reference Ionosphere (IRI) с коррекцией по реальным данным наблюдений и Глобальная модель ионосферы и плазмосферы (ГМИП), разработанная в ИСЗФ СО РАН.
Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Перевалова Н.П. Перемещающиеся волновые пакеты возмущений полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS (морфология и динамика) // Солнечно-земная физика. 2002. Вып. 3. С. 61-72.Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS-monitoring verkhnei atmosfery Zemli [GPS-Monitoring of the Earth’s Upper Atmosphere]. Irkutsk, 2006, 480 p. (In Russian).Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.Afraimovich E.L., Ashkaliev Ya.E., Aushev V.M. Beletsky A.B., Vodyannikov V.V., Leonovich L.A., Lesyuta O.S., Mikhalev A.V., Yakovets A.F. Simultaneous radio and optical observations of the mid-latitude atmospheric response to a major geomagnetic storm of 6-8 April 2000. J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys. 2002, vol. 64, no. 18, pp. 1943-1955.Балаганский Б.А., Сажин В.И. Численное моделирование характеристик декаметровых радиоволн в ионосфере с трехмерно-неоднородными возмущениями // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. T. 43, № 1. С. 92-96.Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Perevalova N.P. Traveling wave disturbance of total electron content ac-cording to worldwide GPS network (morphology and dynamics). Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2002, iss. 3, pp. 61-72. (In Russian).Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. ФМЛ, 2001. 630 с.Balaganskiy B.A., Sazhin V.I. Numerical modeling of HF radio wave characteristics in the ionosphere with third-dimensional inhomogeneous disturbances // Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy], 2003, vol. 43, no. 1, pp. 92-96. (In Russian).Бойтман О.Н., Калихман А.Д. Анализ структуры перемещающихся ионосферных возмущений по ионограммам // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1989. Т. 88. С. 59-69.Bakhvalov N.S., Zhidkov N.P., Kobelkov G.M. Chislennye metody [Numerical Methods]. FML Publ., 2001. 630 p. (In Russian).Вертоградов Г.Г., Денисенко П.Ф., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П. Мониторинг среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы // Электромаг-нитные волны и электронные системы. 2008. Т. 13, № 5. С. 35-44.Boitman O.N., Kalikhman A.D. Analysis of traveling ionospheric disturbances structure with the help of ionograms. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics Research], Moscow, Nauka Publ., 1989, vol. 88, pp. 59-69. (In Russian).Вугмейстер Б.О., Захаров В.Н., Калихман А.Д., Радионов В.В. К динамике перемещающихся ионо-сферных возмущений // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1993. Т. 100. С. 189-196.Davies K. Ionospheric Radio Propagation. U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, 1965. 470 p.Голыгин В.А., Михайлов Я.С., Сажин В.И. Численное моделирование ионограмм наклонного зонди-рования ионосферы при наличии распространения в ионосферных волновых каналах // Байкальская международная мо-лодежная научная школа по фундаментальной физике: труды. Иркутск, 2003. С. 75-77.Ding F., Wan W., Liu L., Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Perevalova N.P. Statistical study of large scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS TEC during major magnetic storms over the years 2003-2005. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00A01.Грозов В.П., Думбрава З.Ф., Ким А.Г. и др. Проявление перемещающихся ионосферных возмущений по данным наклонного зондирования и имитационное моделирование параметров возмущения // Распространение радио-волн: сборник докладов XXI Всерос. научн. конф. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г. Т. 1. С. 177-181.Drob D.P., Emmert J.T., Crowley G., Picone J.M., Shepherd G.G., Skinner W., Hays P., Niciejewski R.J., Larsen M., She C.Y., Meriwether J.W., Hernandez G., Jarvis M.J., Sipler D.P., Tepley C.A., O´Brien M.S., Bowman J.R., Wu Q., Murayama Y., Kawamura S., Reid I.M., Vincent R.A. An empirical model of the Earth´s horizontal wind fields: HWM07. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A12304. DOI: 10.1029/2008 JA013668.Иванов В.П., Карвецкий В.Л., Коренькова Н.А. Сезонно-суточные вариации в параметрах средне-масштабных перемещающихся ионосферных возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. T. 27, № 3. С. 511-513.Emmert J.T., Drob D.P., Shepherd G.G., Hernandez G., Jarvis M.J., Meriwether J.W., Niciejewski R.J., Sipler D.P., Tepley C.A. DWM07 global empirical model of upper thermospheric storm-induced disturbance winds. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A11319. DOI: 10.1029/2008JA013541.Иванов В.А., Лыонг В.Л., Насыров А.М., Рябова Н.В. Моделирование ионограмм для исследования перемещающихся ионосферных возмущений и их влияние на суточные ходы максимально наблюдаемых частот // Ге-оресурсы. 2006. № 2 (19). С. 2-5.Golygin V.A., Mikhailov Ya.S., Sazhin V.I. Numerical modeling of oblique ionograms with propagation in ionospheric channels. Baikal’skaya mezhdunarodnaya molodezhnaya shkola po fundamentalnoi fizike: trudy [Proc. Baikal Young Scientists` International School on Fundamental Physics], Irkutsk, 2003, pp. 75-77. (In Russian).Ким А.Г., Грозов В.П., Котович Г.В. Применение модифицированного метода кривых передачи для расчета критической частоты в средней точке трассы наклонного зондирования по лучу Педерсена // Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике: труды: Иркутск, 2004. С. 82-85.Grozov V.P., Dumbrava Z.F., Kim A.G., Kotovich G.V., Mikhailov Ya.S., Oinats A.V. Traveling ionospheric disturbances from oblique ionograms and modeling of disturbance parameters. Rasprostranenie radiovoln: sbornik dokladov XXI Vserossiyskoi nauchnoi konferentsii [Radio Propagation: Proc. XXI Russian National Conf.], Yoshkar-Ola, 25-27 May 2005, vol. 1, pp. 177-181. (In Russian).Кияновский М.П. Программа расчетов на ЭВМ по модифицированному методу кривых передачи. Лу-чевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С. 287-298.Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Raistrick R., McNeil W.J. Statistical and functional representation of the pat-tern of auroral energy flux, number flux, and conductivity. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, pp. 12275-12294.Кияновский М.П., Сажин В.И. К аналитическому представлению ионосферных данных при расчете де-каметровых радиоволн // Исследования по геомагнетизму, астрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1980. Вып. 51. С. 41-48.Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, pp. 917-940.Коноплин В.Н., Орлов А.И. Приближение данных локальными сплайнами второй степени // Исследо-вания по геомагнетизму, астрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып. 57. С. 101-104.Ivanov V.P., Karvetskiy V.L., Koren`kova N.A. Seasonal-diurnal variations of middle scale traveling iono-spheric disturbances. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1987, vol. 27, no. 3, pp. 511-513. (In Rus-sian).Котович Г.В., Ким А.Г., Михайлов С.Я. и др. Определение критической частоты foF2 в средней точке трассы по данным наклонного зондирования на основе метода Смита // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 4. С. 547-551.Ivanov V.A., Lyong V.L., Nasyrov A.M., Ryabova N.V. Modeling of ionograms for traveling ionospheric disturbances research and its connection with maximal observing frequencies. Georesursy [Georesources]. 2006, no. 2 (19), pp. 2-5. (In Russian).Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с.Kim A.G., Grozov V.P., Kotovich G.V. Application of modified method of transferring curves for critical frequency calculation from Pedersen ray in path midpoint. Mezhdunarodnaya Baikal’skaya molodezhnaya shkola po fundamen-talnoi fizike: trudy [Proc. Baikal Young Scientists` International School on Fundamental Physics]. Irkutsk, 2004, pp. 82-85. (In Russian).Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 189 с.Kiyanovsky M.P. Computer calculations with the help of the modified method of transfer curves. Luchevoe priblizhenie i voprosy rasprostraneniya radiovoln [Geometric optics and radio propagation]. Moscow, Nauka Publ., 1971, pp. 287-298. (In Russian).Кутелев К.А., Куркин В.И. Моделирование влияния крупномасштабных ПИВ волнового типа на ионограммы наклонного зондирования радиотрасс Иркутск-Норильск и Иркутск-Магадан // Сборник докладов XXIII Всерос. научн. конф. «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, Россия, 23-26 мая 2011. Т. 1. С. 235-238.Kiyanovsky M.P., Sazhin V.I. On the analytical representation of ionospheric data in calculating decameter radio wave propagation. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics Re-search]. Moscow, Nauka Publ., 1980, iss. 51, pp. 41-48. (In Russian)Михайлов Я.С., Куркин В.И. Исследование характеристик перемещающихся ионосферных возмущений // Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике: труды. Иркутск, 2007. С. 164-167.Konoplin V.N., Orlov A.I. Data approaching by local second-order splines. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics Research]. Moscow, Nauka Publ., 1981, iss. 57, pp. 101-104. (In Russian).Пономарчук С.Н., Котович Г.В., Романова Е.Б., Тащилин А.В. Прогноз характеристик распространения декаметровых радиоволн на основе глобальной модели ионосферы и плазмосферы // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 3. С. 49-54.Kopka H., Möller H.G. Interpretation of anomalous oblique incidence sweep-frequency records using ray tracing. Radio Sci. 1968, vol. 3, no. 1, pp. 43-51.Тащилин А.В., Романова Е.Б. Численное моделирование диффузии ионосферной плазмы в дипольном геомагнитном поле при наличии поперечного дрейфа // Математическое моделирование. 2013. Т. 25, № 1. С. 3-17.Kotovich G.V., Mikhailov S.Ya. Adaptive Abilities of IRI model in predicting decametric radiopath character-istics. Geomagnetism and Aeronomy. 2003, vol. 43, no. 1, pp. 82-85.Afraimovich E.L., Ashkaliev Ya.E., Aushev V.M., et al. Simultaneous radio and optical observations of the mid-latitude atmospheric response to a major geomagnetic storm of 6-8 April 2000 // J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys. 2002. V. 64, N 18. P. 1943-1955.Kotovich G.V., Kim A.G., Mikhailov S.Ya., Grozov V.P., Mikhailov Ya.S. Determining the foF2 critical fre-quency at the path midpoint from oblique sounding data based on the Smith method. Geomagnetism and Aeronomy. 2006, vol. 46, no. 4, pp. 517-521.Davies K. Ionospheric Radio Propagation. U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, 1965. 470 p.Kravtsov Yu.A., Orlov Yu.I. Geometricheskaya optika neodnorodnykh sred [Geometric optics for non-homogeneous media]. Moscow, Nauka Publ., 1980. 304 p. (In Russian).Ding F., Wan W., Liu L., et al. Statistical study of large scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS TEC during major magnetic storms over the years 2003-2005 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A00A01.Krinberg I.A., Tashchilin A.V. Ionosfera i plazmosfera [Ionosphere and Plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984, 189 p. (In Russian).Drob D.P., Emmert J.T., Crowley G., et al. An empirical model of the Earth´s horizontal wind fields: HWM07 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A12304. DOI: 10.1029/2008 JA013668.Kutelev K.A., Kurkin V.I. Modeling impact of large-scale wavelike traveling ionospheric disturbances on oblique ionograms for Irkutsk-Norilsk and Irkutsk-Magadan paths. Rasprostranenie radiovoln: sbornik dokladov XXIII Vserossi-iskoi nauchnoi konferentsii [Radio Propagation: Proc. XXIII Russian National Conf.], Yoshkar-Ola, 23-26 May, 2011, vol. 1, pp. 235-238. (In Russian).Emmert J.T., Drob D.P., Shepherd G.G., et al. DWM07 global empirical model of upper thermospheric storm-induced disturbance winds // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A11319. DOI: 10.1029/2008JA013541.Maeda S., Handa S. Transmission of large-scale TIDs in the ionospheric F2-region. J. Atmos. Terr. Phys. 1980, vol. 42, no. 9/10, pp. 853-859.Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Raistrick R., McNeil W.J. Statistical and functional representation of the pat-tern of auroral energy flux, number flux, and conductivity // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 12275-12294.Mikhailov Ya.S., Kurkin V.I. Research of parameters of traveling ionospheric disturbances. Mezhdunarodnaya Baikal’skaya molodezhnaya shkola po fundamentalnoi fizike: trudy [Proc. Baikal Young Scientists` International School on Funda-mental Physics]. Irkutsk, 2007, pp. 164-167. (In Russian).Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Ann. Geophys. 1996. V. 14. P. 917-940.Millward G.H., Moffett R.J., Quegan S., Fuller-Rowell T.J. Effects of an gravity wave on the midlatitude iono-spheric F layer. J. Geophys. Res. 1993, vol. 98, pp. 19173-19179.Kopka H., Möller H.G., Interpretation of anomalous oblique incidence sweep-frequency records using ray tracing // Radio Sci. 1968. V. 3, N 1. P. 43-51.Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. 1468-1483.Kotovich G.V., Mikhailov S.Ya. Adaptive abilities of IRI model in predicting decametric radiopath character-istics // Geomagnetism and Aeronomy. 2003. V. 43, N 1. P. 82-85.Ponomarchuk S.N., Kotovich G.V., Romanova E.B., Tashchilin A.V. Forecast of short radio waves character-istics on the base of Global ionosphere and plasmasphere model. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2015, vol. 1, no. 3, pp. 49-54. (In Russian).Maeda S., Handa S. Transmission of large-scale TIDs in the ionospheric F2-region // J. Atmos. Terr. Phys. 1980. V. 42, N 9/10. P. 853-859.Richards P.G., Fennelly J.A., Torr D.G. EUVAC: solar EUV flux model for aeronomic calculations. J. Ge-ophys. Res. 1994, vol. 99, no. A5, pp. 8981-8992.Millward G.H., Moffett R.J., Quegan S., Fuller-Rowell T.J. Effects of an gravity wave on the midlatitude iono-spheric F layer // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 19173-19179.Rishbeth H., Garriott O.K. Introduction to Ionospheric Physics. New York, Academic Press, 1969. 334 p.Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1468-1483.Sojka J.J., Rasmussen C.E., Schunk R.W. An interplanetary magnetic field dependent model of the ionospheric convection electric field. J. Geophys. Res. 1986, vol. 91, pp. 11281-11290.Richards P.G., Fennelly J.A., Torr D.G. EUVAC: Solar EUV flux model for aeronomic calculations // J. Ge-ophys. Res. 1994. V. 99, N A5. P. 8981-8992.Tashchilin A.V., Romanova E.B. UT-control effects in the latitudinal structure of the ion composition of the topside ionosphere. J. Atmos. and Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 12, pp. 1497-1502.Rishbeth H., Garriott O.K. Introduction to Ionospheric Physics. New York: Academic Press, 1969. 334 p.Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere. Proc. COSPAR. Colloquia Series. 2002, vol. 14, pp. 315-325.Sojka J.J., Rasmussen C.E., Schunk R.W. An interplanetary magnetic field dependent model of the ionospheric convection electric field // J. Geophys. Res. 1986. V. 91. P. 11281-11290.Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling of ionosphere scattering in dipole geomagnetic field with crossover drift. Matematicheskoe modelirovanie [Mathematical modeling]. 2013, vol. 25, no. 1, pp. 3-17. (In Russian).Tashchilin A.V., Romanova E.B. UT-control effects in the latitudinal structure of the ion composition of the topside ionosphere // J. Atmos. and Terr. Phys. 1995. V. 57. N. 12. P. 1497-1502.Vertogradov G.G., Denisenko P.F., Vertogradova E.G., Uryadov V.P. The monitoring of medium-scale trav-elling ionospheric disturbances as the result of oblique chirp sounding of the ionosphere. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy [Electromagnetic Waves and Electronic Systems]. 2008, vol. 13, no. 5, pp. 35-44. (In Russian).Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere // Proc. COSPAR. Colloquia Series. 2002. V. 14. P. 315-325.Vugmeister B.O., Zakharov V.N., Kalikhman A.D., Radionov V.V. About dynamics of traveling ionospheric disturbances. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics Research]. Moscow, Nauka Publ., 1993, vol. 100, pp. 189-196. (In Russian).