Иркутск, Россия
Появление серпообразных особенностей на ионограммах связано с прохождением перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), которые приводят к образованию горизонтальных градиентов электронной концентрации ионосферы и, соответственно, к боковым отражениям лучей при радиозондировании. Обсуждаются возможности сокращения времени расчета при численном синтезе ионограмм вертикального зондирования. Предложена модель комбинированного параболического слоя, которая позволяет использовать в расчетах аналитические выражения для траекторных характеристик. Исследованы изменения формы трека ионограммы, к которым приводит варьирование параметров ПИВ.
Ионосфера, вертикальное зондирование, ионограмма
ВВЕДЕНИЕ
На ионограммах вертикального и слабонаклонного зондирования можно часто наблюдать дополнительный трек (cusp), называемый серпом и свидетельствующий о наличии перемещающегося ионосферного возмущения (ПИВ) (рис. 1).
Обычно серп перемещается в сторону меньших частот и меньших групповых задержек (вниз и влево вдоль трека ионограммы), трансформируясь со временем в перегиб основного трека ионограммы [Данилкин и др., 1987; Крашенинников, Лянной, 1991]. Еще в середине прошлого века было установлено [Munro, Heisler, 1956], что появление серпообразных особенностей на ионограммах связано с прохождением ПИВ, которые приводят к образованию горизонтальных градиентов электронной концентрации ионосферы и, соответственно, к боковым отражениям лучей при радиозондировании.
Аналогичным образом боковые отражения приводят к формированию так называемых межмодовых треков на ионограмме (рис. 2). Они, подобно серпам, перемещаются по ионограмме, смещаясь со временем вверх между практически неподвижными вторым и третьим «кратниками» (треками двукратного и трехкратного отражения, рис. 2, а–в). Для объяснения данного эффекта в работе [Lynn et al., 2013] используется модель наклонной отражающей структуры (tilted ionospheric reflector), которая схематически показана дугой окружности на рис. 2, г. Данная структура приводит к переотражению от земной поверхности. Движение данной структуры в пространстве приводит к смещению межмодового трека на ионограмме.
Для численного моделирования в данной работе используется метод геометрической оптики (ГО) без учета магнитного поля Земли. В основу метода положено предположение о незначительности изменения показателя преломления на расстоянии одной длины волны. Данное допущение в ионосфере, как правило, выполняется. Метод ГО оперирует траекториями лучей, вдоль которых происходит распространение потоков энергии. Для построения траектории проводится интегрирование системы лучевых уравнений (см. далее). При этом возникающая особенность в точке отражения волны оказывается интегрируемой.
Траекторный синтез показывает [Ларюнин и др., 2014], что при моделировании серпообразных особенностей различные модели ПИВ могут давать хорошее соответствие экспериментальным ионограммам. Фактически, различия между способами задания горизонтального градиента не имеют критического характера и выбор обычно сводится к вопросу удобства работы с конкретной моделью. Так, адекватными, в частности, представляются следующие модели.
1. Данилкин Н.П., Лукин Д.С., Стасевич В.И. Траекторный синтез ионограмм при наличии искусственных ионосферных неоднородностей // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. С. 217-224.
2. Еременко В.А., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н. Особенности поведения волнового поля радиоизлучения вблизи максимально применимой частоты // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47, № 3. С. 407-412.
3. Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Об интерпретации одного вида перемещающегося ионосферного возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, № 3. С. 427-433.
4. Ларюнин О.А., Куркин В.И., Подлесный А.В. Использование данных двух близко расположенных ионозондов при диагностике перемещающихся ионосферных возмущений // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 1. С. 10-17.
5. Kravtsov Yu.A., Orlov Yu.I. Geometrical Optics of Inhomogeneous Media. Springer-Verlag Publ., 1990, 312 p.
6. Lynn K.J.W., Otsuka Y., Shiokawa K. Ionogram-based range-time displays for observing relationships between ionosonde satellite traces, spread F and drifting optical plasma depletions // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2013. V. 98. P. 105-112.
7. Munro G.H., Heisler L.H. Cusp type anomalies in variable frequency ionospheric records // Australian J. Phys. 1956. V. 9. P. 343-357.
