Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Последовательно представлена методика расчета скоростей меридиональных нейтральных ветров по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР). В силу конструктивных особенностей ИРНР применение успешно работающих на других радарах НР методик определения параметров ионосферы, в частности дрейфа плазмы, приводило к значительной дисперсии определяемых параметров. Для расчета скорости дрейфа плазмы с учетом таких особенностей ИРНР была разработана специальная методика на основе анализа фазы автокорреляционной функции сигнала НР. Подобная методика нуждается в экспериментальной проверке, для чего был проведен эксперимент по определению скорости низкоорбитальных спутников. Однако применение предложенных рядом авторов методик для расчетов нейтральных меридиональных ветров [Evans, 1970] с использованием полученных нами ранее скоростей дрейфа приводило к большим разногласиям с эмпирическими моделями ветров HWM93 и HWM07. К тому же одновременные измерения на двух частотах на ИРНР показали, что объяснить подобные расхождения без учета поперечных полю движений оказывается затруднительным. Возможный недоучет влияния движений, создаваемых электрическими полями, может вносить серьезную ошибку в определяемые скорости ветра. В работе рассмотрено усовершенствование методики расчета ветров и показано, что полученные с ее помощью результаты лучше согласуются с эмпирическими моделями ветров.
динамика ионосферы, нейтральный ветер, термосферный ветер, некогерентное рассеяние
ВВЕДЕНИЕ
С одной стороны, может показаться, что наше понимание физических процессов в ионосфере является достаточно полным. Использовались данные по электронной концентрации и температуре плазмы, взятые из модели IRI, ионному составу и концентрации нейтральных частиц (из глобальной атмосферной модели MSISE [Hedin, 1987]), совместно с текущими данными по солнечному ультрафиолетовому излучению [Tobiska, 1991]. Далее мы рассчитали уровни ионизации и рекомбинации. Получен результат, хорошо согласующийся с наблюдениями в областях E и F1. Добавив к перечисленному выше эффекты диффузии, доминирующие на больших высотах, в спокойной геомагнитной обстановке мы можем также получить хорошее согласие с результатами наблюдений на уровнях ионосферного максимума и выше [Titheridge, 1991]. Таким образом, казалось бы, текущие модели могут удовлетворительно объяснять большинство крупномасштабных особенностей ионосферных слоев. На практике, так как среднее время жизни ионизации может составлять несколько часов, ее распределение в значительной степени зависит от эффектов переноса вследствие электрических полей и ветров нейтральной атмосферы. Несмотря на множество работ, демонстрирующих хорошее согласие с моделями, есть такие, в которых показано, что модели не могут объяснить все крупномасштабные особенности поведения ионосферы, особенно для длинных рядов данных [Richards et al., 2009].
Таким образом, текущим предметом исследования является определение основных драйверов динамических эффектов, которые вызывают большинство аномалий в F-области ионосферы [Titheridge, 1991].
Именно поэтому проблема изучения динамического режима ионосферы относится к числу важнейших, а теоретическое и экспериментальное изучение движений в ионосфере занимает важное место в международных программах геофизических и космических исследований. Кроме того, параметры скоростей естественных крупномасштабных движений нейтральной и ионизированной компонент ионосферной плазмы необходимы для построения физических моделей верхней атмосферы, исследования физической природы взаимодействия различных атмосферных слоев, решения ряда прикладных задач (распространение радиоволн, ориентация космических аппаратов, радиоизмерения параметров их движения и т. д.).
Очень важный объем данных по ионосферной динамике, охватывающих значительный диапазон высот на разных долготах и широтах, обеспечивается глобальной сетью радаров НР, особенно в сочетании с другими инструментами дистанционного зондирования [Griffin et al., 2004a, b], начиная с оптических интерферометров Фабри-Перо [Vila et al., 1998], ионозондов [Lei et al., 2003; Shchepkin et al., 2009] и заканчивая GPS-спутниками и инструментами, установленными на искусственных спутниках Земли [Endawoke, Yizengaw, 2012]. В практике метода НР для определения лучевой скорости плазмы обычно используют спектр мощности или фурье-преобразование спектра - автокорреляционную функцию (АКФ). В первом приближении скорость дрейфа плазмы может быть определена независимо от других ионосферных параметров через угол наклона фазы ψ(τ) АКФ. Однако доплеровский сдвиг спектра НР за счет движения плазмы весьма мал по сравнению с шириной спектра рассеянного сигнала, а дисперсия при определении доплеровского сдвига велика. На ИРНР такая методика определения скорости дрейфа методом линейной регрессии имеет еще и дополнительную погрешность. Дело в том, что уникальной особенностью ИРНР, которую необходимо учитывать в ионосферных измерениях, является частотный принцип сканирования, т. е. зависимость направления излучения от несущей частоты. При возникновении, например, значительных горизонтальных градиентов электронной концентрации в плоскости сканирования этот фактор приводит к искажениям спектра НР-сигнала, делая его асимметричным. Искажения такого рода сказываются на точности восстановления параметров плазмы, в особенности при определении скорости дрейфа. Для компенсации этих искажений на ИРНР нами был разработан специальный метод [Potekhin, 2008].
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
2. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Движения в ионосфере. Новосибирск, Наука, 1979. 344 с.
3. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Крупномасштабная модель верхней ионосферы // Ис-следования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1979. Вып. 45. С. 122-127.
4. Романова Е.Б., Жеребцов Г.А., Ратовский К.Г. и др. Сравнение отклика F2-области ионосферы на геомагнитные бури на средних и низких широтах // Солнечно-земная физика. 2013. Вып. 22. С. 27-30.
5. Aponte N., Nicolls M.J., Gonza´lez S.A., et al. Instantaneous electric field measurements and derived neutral winds at Arecibo // Geophys. Res. Let. 2005. V. 32. Р. L12107. DOI:https://doi.org/10.1029/2005GL022609.
6. Beynon W.J.G., Williams P.J.S. 1978, Report Prog. Physics. V. 41, 909 p.
7. Butler T.W., Semeter J., Heinselman C.J., Nicolls M.J. Imaging F region drifts using monostatic phased array incoherent scatter radar // Radio Sci. 2010. V. 45, N 5, rS5013.
8. Dougherty J.P., Farley D.T. A theory of incoherent scattering of radio waves by a plasma // Proc. Roy. Soc. 1960, A259, pp. 79-99.
9. Evans. J.V. Observation of F region vertical velocities at Millstone Hill. Evidence for drifts due to expansion, contraction and winds // Radio Sci. June 1971. V. 6, N 6. P. 609-626.
10. Farley D.T. A theory of incoherent scattering of radio waves by a plasma // J. Geophys. Res. 1966. V. 71, N 17. P. 4091-4098.
11. Griffin E.M., Aruliah A., Muller-Wodarg I.C.F., Aylward A. Meridional winds. I. Optical and radar experimental comparisons // Ann. Geophys. 2004a. V. 22. P. 849-862.
12. Griffin E.M., Aruliah A., Muller-Wodarg I.C.F., Aylward A. Comparison of high-latitude thermospheric meridional winds. II. Combined FPI, radar and model. Climatologies // Ann. Geophys. 2004b. V. 22. P. 863-876.
13. Grydeland T., Lind F.D., Erickson P.J., Holt J.M. Software radar signal processing // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 109-121.
14. Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 4649-4662.
15. Jiuhou Lei, Libo Liu, Xiaoli Luan, Weixing Wan. Model study on neutral winds in the ionospheric F2 region and comparison with the equivalent winds derived from the Wuhan ionosonde data // Terr. Atm. Oceanic Sci. 2003. V. 14, N 1. P. 1-12.
16. Kelley M.C. The Earth´s Ionosphere: Plasma Physics & Electrodynamics. 2nd Ed. Academic Press, 2009. 575 p. Intern. Geophys. Ser. 2009. V. 96.
17. Nicolls M.J., Cosgrove R., Bahcivan H. Estimating the vector electric field using monostatic, multibeam incoherent scatter radar measurements // Radio Sci. November 2014. P. 1124-1139.
18. Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., et al. Development of diagnostic capabilities of the Irkutsk Incoherent Scattering Radar // Cosmic Res. 2008. V. 46, N 4. P. 347-353.
19. Richards P.G., Nicolls M.J., Heinselman C.J., et al. Measured and modeled ionospheric densities, temperatures, and winds during the international polar year // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A12317. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014625.
20. Salah J.E., Holt J.M. Midlatitude thermospheric winds from incoherent scatter radar and theory // Radio Sci. 1974. V. 9, no. 2. P. 301-313. DOI:https://doi.org/10.1029/RS009i002p00301.
21. Semeter J., Butler T., Heinselman C., et al. Volumetric imaging of the auroral ionosphere: Initial results from PFISR // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2008. V. 71. P. 738-743.
22. Semeter J., Butler T.W., Zettergren M., et al. Composite imaging of auroral forms and convective flows during a substorm cycle // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. DOI: 10.1029/ 2009JA014931.
23. Shchepkin L.A., Kuznetsova G.M., Kushnarenko G.P., Ratovsky K.G. Calculations of the ionization drift velocity by the Titheridge method, based on the data obtained at the Irkutsk digisonde // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49, N 8. Special Iss. 2. P. 1308-1310.
24. Shcherbakov A.A., Medvedev A.V., Kushnarev D.S. Correlation method for determining the ionospheric plasma drift velocity at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49, N 7. P. 1028-1033.
25. Shun-Rong Zhanga, Shoichiro Fukaoa Oliverc W.L., Yuichi Otsukaa. The height of the maximum ionospheric electron density over the MU radar // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 1367-1383.
26. Schunk R.W., Nagy A.F. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry. 2nd Ed. Cambridge Atmospheric and Space Science Series, 2009.
27. Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere // Proc. COSPAR. Colloquia Series. 2002. V. 14. P. 315-325.
28. Titheridge J.A. Mean meridional wind in the ionosphere at 70° N // Planet Space Sci. 1991. V. 39, N 5. P. 657-669.
29. Tobiska W.K. Revised solar extreme ultraviolet flux model // J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V. 53. P. 1005-1018.
30. Vickrey J.F., Wesley E.S., Farley D.T. Incoherent scatter measurements of ion counterstreaming // Geophys. Res. Let. 1976. V. 3, N 4. P. 217-220. DOI:https://doi.org/10.1029/GL003i004p00217.
31. Vila P., Rees D., Merrien P., Kone E. Fabry-Pérot interferometer measurements of neutral winds and F2 layer variations at the magnetic equator // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 731-737.
32. Witasse O., Lilensten J., Lathuillere C., Pibaret B. Meridional thermospheric neutral wind at high latitude over a full solar cycle // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 1400-1409.
33. Yemelyanov L.Ya., Dzyubanov D.A. The peculiarities of mid-latitude ionosphere plasma drift velocity determination // Telecommunications Radio Engineering. 2007. V. 66, N 14. P. 1313-1327.
34. Yizengaw E. Global longitudinal dependence observation of the neutral wind and ionospheric density distribution // Intern. J. Geophys. V. 2012. DOI:https://doi.org/10.1155/2012/342581.
