Фрязино, Россия
Фрязино, Россия
Радиозатменные измерения спутника CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) были использованы нами для исследования спорадических Е-слоев (высоты 90–130 км) в высокоширотной ионосфере Земли. Разработан новый метод определения характеристик внутренних атмосферных волн, базирующийся на использовании наклонных спорадических Е-слоев ионосферы Земли в качестве детектора. Метод основан на том, что внутренняя волна, распространяющаяся через изначально горизонтальный спорадический E-слой, вызывает вращение градиента плотности плазмы в направлении волнового вектора, что приводит к установлению плоскости слоя параллельно фазовому фронту волны. Разработанный метод позволяет исследовать взаимосвязи между мелкомасштабными внутренними волнами и спорадическими Е-слоями в ионосфере Земли и существенно расширяет возможности традиционного радиозатменного мониторинга атмосферы. Показано, что исследуемые внутренние атмосферные волны имеют периоды от 35 до 46 мин и вертикальные фазовые скорости от 1.2 до 2.0 м/с, что хорошо согласуется с результатами независимых экспериментов и данными моделирования спорадических Е-слоев на высоте ~100 км в полярной шапке Земли.
радиозатменные измерения, атмосфера и ионосфера Земли, наклонные спорадические Е-слои, внутренние атмосферные волны
1. Губенко В.Н., Кириллович И.А. Диагностика насыщения внутренних атмосферных волн и определение их характеристик в стратосфере Земли с помощью радиозондовых измерений // Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 2. C. 76-85. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-42201807.
2. Губенко В.Н., Павельев А.Г., Салимзянов Р.Р., Андреев В.Е. Методика определения параметров внутренней гравитационной волны по измерению вертикального профиля температуры или плотности в атмосфере Земли // Космические исследования. 2012. Т. 50, № 1. С. 23-34.
3. Губенко В.Н., Кириллович И.А., Павельев А.Г. Характеристики внутренних волн в атмосфере Марса, полученные на основе анализа вертикальных профилей температуры миссии Mars Global Surveyor // Космические исследования. 2015. Т. 53, № 2. C. 141-151. DOI: 10.7868/ S0023420615020028.
4. Губенко В.Н., Кириллович И.А., Павельев А.Г., Андреев В.Е. Обнаружение насыщенных внутренних гравитационных волн и реконструкция их характеристик в атмосфере Марса // Известия вузов. Физика. 2016a. Т. 59, № 12-2. C. 46-49.
5. Губенко В.Н., Кириллович И.А., Лиу Й.-А., Павельев А.Г. Мониторинг активности внутренних гравитационных волн в атмосфере Арктики и Антарктики // Известия вузов. Физика. 2016б. Т. 59, № 12-3. C. 80-85.
6. Arras C., Wickert J., Beyerle G., et al. A global climatology of ionospheric irregularities derived from GPS radio occultation // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35, L14809. DOI: 10.1029/ 2008GL03415.
7. Bernhardt P.A. The modulation of sporadic-E layers by Kelvin-Helmholtz billows in the neutral atmosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002. V. 64. P. 1487-1504.
8. Bernhardt P.A., Selcher C.A., Siefring C., et al. Radio tomographic imaging of sporadic-E layers during SEEK-2 // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 2357-2368. DOI: 10.5194/ angeo-23-2357-2005.
9. Bristow W.A., Watkins B.J. Numerical simulation of the formation of thin ionization layers at high latitudes // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. P. 404-407.
10. Bristow W.A., Watkins B.J. Incoherent scatter observations of thin ionization layers at Sondrestrom // J. Atmos. Terr. Phys. 1993. V. 55. P. 873-894.
11. Chimonas G. Enhancement of sporadic E by horizontal transport within the layer // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 4578-4586.
12. Chimonas G., Axford W.I. Vertical movement of temperate-zone sporadic E layers // J. Geophys. Res. 1968. V. 73. P. 111-117.
13. Chu Y.-H., Brahmanandam P.S., Wang C.-Y., et al. Coordinated sporadic E layer observations made with Chung-Li 30 MHz radar, ionosonde and FORMOSAT-3/COSMIC satellites // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 883-894. DOI: 10.1016/ j.jastp.2010.10.004.
14. Cosgrove R.B., Tsunoda R.T. A direction-dependent instability of sporadic-E layers in the nighttime midlatitude ionosphere // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 18, 1864. DOI:https://doi.org/10.1029/2002GL014669.
15. Cosgrove R.B., Tsunoda R.T. Instability of the E-F coupled nighttime midlatitude ionosphere // J. Geophys. Res. 2004. V. 10, A04305. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA010243.
16. Cox R.M., Plane J.M.C. An ion-molecule mechanism for the formation of neutral sporadic Na layers // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, D6. P. 6349-6359. DOI:https://doi.org/10.1029/97JD03376.
17. Didebulidze G.G., Lomidze L.N. Double atmospheric gravity wave frequency oscillations of sporadic E formed in a horizontal shear flow // Phys. Lett. A. 2010. V. 374, N 7. P. 952-969. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physleta.2009.12.026.
18. Gossard E.E, Hooke W.H. Waves in the Atmosphere. Amsterdam, Oxford, New York, Elsevier Scientific Publishing Co., 1975. 471 p.
19. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Andreev V.E. Determination of the intrinsic frequency and other wave parameters from a single vertical temperature or density profile measurement // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, D08109. DOI:https://doi.org/10.1029/2007 JD008920.
20. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Salimzyanov R.R., Pavelyev A.A. Reconstruction of internal gravity wave parameters from radio occultation retrievals of vertical temperature profiles in the Earth’s atmosphere // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4, N 10. Р. 2153-2162. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-4-2153-2011.
21. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Kirillovich I.A., Liou Y.-A. Case study of inclined sporadic E layers in the Earth’s ionosphere observed by CHAMP/GPS radio occultations: Coupling between the tilted plasma layers and internal waves // Adv. Space Res. 2018. V. 61, N 7. P. 1702-1716. DOI: 10.1016/ j.asr.2017.10.001.
22. Haldoupis C.A. Tutorial review on sporadic E layers // Aeronomy of the Earth’s Atmosphere and Ionosphere. Berlin, Springer, 2011. P. 381-394. (IAGA Special Sopron Book Series 2). DOI:https://doi.org/10.1007/978-94-007-0326-1-2.
23. Haldoupis C. Midlatitude sporadic E layers. A typical paradigm of atmosphere-ionosphere coupling // Space Sci. Rev. 2012. V. 168. P. 441-461. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9786-8.
24. Heinselman C.J., Thayer J.P., Watkins B.J. A high-latitude observation of sporadic sodium and sporadic E-layer formation // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 3059-3062. DOI: 10.1029/ 98GL02215.
25. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights // Can. J. Phys. 1960. V. 38. P. 1441-1481.
26. Hunten D.M., Turco R.P., Toon O.B. Smoke and dust particles of meteoric origin in the mesosphere and stratosphere // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. P. 1342-1357.
27. Hysell D.L., Yamamoto M., Fukao S. Imaging radar observations and theory of type I and type II quasi-periodic echoes // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A11, 1360. DOI: 10.1029/ 2002JA009292.
28. Hysell D.L., Larsen M.F., Zhou Q.H. Common volume coherent and incoherent scatter radar observations of mid-latitude sporadic E-layers and QP echoes // Ann. Geophys. 2004. V. 22. P. 3277-3290. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-3277-2004.
29. Hysell D.L., Nossa E., Larsen M.F., et al. Sporadic E layer observations over Arecibo using coherent and incoherent scatter radar: Assessing dynamic stability in the lower thermosphere // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A12303. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014403.
30. Igarashi K., Pavelyev A.G., Hocke K., et al. Observation of wave structures in the upper atmosphere by means of radio holographic analysis of the radio occultation data // Adv. Space Res. 2001. V. 27. P. 1321-1327. DOI:https://doi.org/10.1016/s0273-1177(01)00144-2.
31. Kato S., Reddy C.A., Matsushita S. Possible hydromagnetic coupling between the perturbations of the neutral and ionized atmosphere // J. Geophys. Res. 1970. V. 75. P. 2540-2550.
32. Kelley M.C. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. Second Edition. Academic Press. San Diego. California. 2009. 556 p.
33. Kirkwood S., Collis P.N. Gravity wave generation of simultaneous auroral sporadic-E layers and sudden neutral sodium layers // J. Atmos. Terr. Phys. 1989. V. 51, N 4. P. 259-269.
34. Kirkwood S., von Zahn U. On the role of auroral electric fields in the formation of low altitude sporadic-E and sudden sodium layers // J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V. 53. P. 389-407.
35. Kirkwood S., von Zahn U. Formation mechanisms for lowaltitude Es and their relationship with neutral Fe layers: Results from the METAL campaign // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 21549-21561.
36. Kirkwood S., Nilsson H. High-latitude sporadic-E and other thin layers - the role of magnetospheric electric fields // Space Sci. Rev. 2000. V. 91. P. 579-613. DOI:https://doi.org/10.1023/A: 1005241931650.
37. Larsen M.F. A shear instability seeding mechanism for quasiperiodic radar echoes // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, A11. P. 24931-24940. DOI:https://doi.org/10.1029/1999JA000290.
38. Larsen M.F., Fukao S., Yamamoto M., et al. The SEEK chemical release experiment: Observed neutral wind profile in a region of sporadic-E // Geophys. Res. Lett. 1998. 25. P. 1789-1792. DOI:https://doi.org/10.1029/98GL00986.
39. Larsen M.F., Yamamoto M., Fukao S., Tsunoda R.T. SEEK 2: Observations of neutral winds, wind shears, and wave structure during a sporadic E/QP event // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 2369-2375. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-23-2369-2005.
40. Larsen M.F., Hysell D.L., Zhou Q.H., et al. Imaging coherent scatter radar, incoherent scatter radar, and optical observations of quasiperiodic structures associated with sporadic E layers // J. Geophys. Res. 2007. V. 112, A06321. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA012051.
41. Lehmacher G.A., Larsen M.F., Croskey C.L. Observation of electron biteout regions below sporadic E layers at polar latitudes // Ann. Geophys. 2015. V. 33. P. 371-380. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo- 33-371-2015.
42. MacDougall J.W., Jayachandran P.T., Plane J.M.C. Polar cap sporadic-E: part 1, observations // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000a. V. 62. P. 1155-1167. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826 (00)00093-6.
43. MacDougall J.W., Plane J.M.C., Jayachandran P.T. Polar cap sporadic-E: part 2, modeling // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000b. V. 62. P. 1169-1176. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00092-4.
44. Malhotra A., Mathews J.D., Urbina J. Effect of meteor ionization on sporadic-E observed at Jicamarca // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35, L15106. DOI:https://doi.org/10.1029/2008GL034661.
45. Maruyama T., Fukao S., Yamamoto M. A possible mechanism for echo striation generation of radar backscatter from midlatitude sporadic E // Radio Sci. 2000. V. 35. P. 1155-1164. DOI:https://doi.org/10.1029/1999RS002296.
46. Maruyama T., Kato H., Nakamura M. Ionospheric effects of the Leonid meteor shower in November 2001 as observed by rapid run ionosondes // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A8, 1324. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA009831.
47. Maruyama T., Kato H., Nakamura M. Meteor-induced transient sporadic E as inferred from rapid-run ionosonde observations at midlatitudes // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, A09308. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013362.
48. Mathews J.D. Sporadic E: Current views and recent progress // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1998. V. 60, N 4. P. 413-435. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(97)00043-6.
49. Nygren T., Jalonen L., Oksman J., Turunen T. The role of electric field and neutral wind direction in the formation of sporadic E-layers // J. Atmos. Terr. Phys. 1984. V. 46. P. 373-381.
50. Ogawa T., Takahashi O., Otsuka Y., et al. Simultaneous middle and upper atmosphere radar and ionospheric sounder observations of midlatitude E region irregularities and sporadic E layer // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A10, 1275. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA900176.
51. Otsuka Y., Shiokawa K., Ogawa T., et al. Spatial relationship of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances and F region field-aligned irregularities observed with two spaced all-sky airglow imagers and the middle and upper atmosphere radar // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A05302. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013902.
52. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Wickert J., et al. New applications and advances of the GPS Radio Occultation Technology as recovered by analysis of the FORMOSAT-3/COSMIC and CHAMP data-base // New Horizons in Occultation Research: Studies in Atmosphere and Climate. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. P. 165-178. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-642-00321_9.
53. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Zhang K., et al. Identification and localization of layers in the ionosphere using the eikonal and amplitude of radio occultation signals // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5, N 1. P. 1-16. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-5-1-2012.
54. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Matyugov S.S., et al. Application of the locality principle to radio occultation studies of the Earth’s atmosphere and ionosphere // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8, N 7. P. 2885-2899. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-8-2885-2015.
55. Roddy P.A. Earle G.D., Swenson C.M., et al. Relative concentrations of molecular and metallic ions in midlatitude intermediate and sporadic-E layers // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31, L19807. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL020604.
56. Saito S., Yamamoto M., Hashiguchi H., Maegawa A. Observation of three-dimensional structures of quasi-periodic echoes associated with midlatitude sporadic-E layers by MU radar ultra-multi-channel system // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33, L14109. DOI:https://doi.org/10.1029/2005GL025526.
57. Tsunoda R.T., Cosgrove R.B. Coupled electrodynamics in the nighttime midlatitude ionosphere // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 8. P. 4171-4174. DOI:https://doi.org/10.1029/2001GL013245.
58. Tsunoda R.T., Fukao S. Yamamoto M. On the origin of quasiperiodic radar backscatter from midlatitude sporadic E // Radio Sci. 1994. V. 29. P. 349-366.
59. Turunen T., Nygren T., Huuskonen A. Nocturnal high-latitude E-region in winter during extremely quiet conditions // J. Atmos. Terr. Phys. 1993. V. 55. P. 783-795.
60. Whitehead J.D. Ionization disturbances caused by gravity waves in the presence of an electrostatic field and background wind // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 238-241.
61. Whitehead J.D. Recent work on midlatitude and equatorial sporadic E // J. Atmos. Terr. Phys. 1989. V. 51. P. 401-424. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(89)90122-0.
62. Woodman R.F., Yamamoto M., Fukao S. Gravity wave modulation of gradient drift instabilities in mid-latitude sporadic E irregularities // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. P. 1197-1200. DOI:https://doi.org/10.1029/91GL01159.
63. Wu D.L., Ao C.O., Hajj G.A., et al. Sporadic E morphology from GPS-CHAMP radio occultations // J. Geophys. Res. 2005. V. 110, A01306. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010701.
64. Yamamoto M., Fukao S., Woodman R.F., et al. Mid-latitude E region field-aligned irregularities observed with the MU radar // J. Geophys. Res.: Space. 1991. V. 96. P. 15943-15949.
65. Yamamoto M., Fukao S., Ogawa T., et al. A morphological study of mid-latitude E-region field-aligned irregularities observed with the MU radar // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1992. V. 54. P. 769-777.
66. Yamamoto M., Fukao S., Tsunoda R.T., et al. SEEK-2 (Sporadic-E Experiment over Kyushu 2) - Project Outline, and Significance // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 2295-2305. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-23-2295-2005.
67. Yokoyama T., Yamamoto M., Fukao S., Cosgrove R.B. Three-dimensional simulation on generation of polarization electric field in the midlatitude E-region ionosphere // J. Geophys. Res. 2004. V. 109, A01309. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA010238.
68. Yokoyama T., Yamamoto M., Fukao S., et al. Numerical simulation of mid-latitude ionospheric E-region based on SEEK and SEEK-2 observations // Ann. Geophys. 2005. V. 23, N 7. P. 2377-2384. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-23-2377-2005.
69. Yokoyama T., Hysell D.L., Otsuka Y., Yamamoto M. Three-dimensional simulation of the coupled Perkins and Es-layer instabilities in the nighttime midlatitude ionosphere // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A03308. DOI: 10.1029/ 2008JA013789.
70. Yue X., Schreiner W.S., Zeng Z., et al. Case study on complex sporadic E layers observed by GPS radio occultations // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 225-236. DOI: 10.5194/ amt-8-225-2015.
71. Zeng Z., Sokolovskiy S. Effect of sporadic E cloud on GPS radio occultation signal // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37, L18817. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL044561.
