Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics 2712-9640 57147 10.12737/szf-93202305 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Influence of strong solar proton events on propagation of radio signals in the VLF range in a high-latitude region Влияние сильных солнечных протонных событий на распространение радиосигналов в диапазоне ОНЧ в области высоких широт https://orcid.org/0000-0001-6824-312X Ахметов Олег Иршатович Ahmetov Oleg Irshatovich Akhmetov.O.I@yandex.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Мингалев Игорь Викторович Mingalev Igor Viktorovich mingalev_i@pgia.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Мингалев Олег Викторович Mingalev Oleg Viktorovich mingalev_o@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Белаховский Владимир Борисович Belahovskiy Vladimir Borisovich belakhov@mail.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Маурчев Евгений Александрович Maurchev Evgeniy Aleksandrovich maurchev@pgia.ru https://orcid.org/0000-0002-5001-9768 Ларченко Алексей Викторович Larchenko Aleksey Viktorovich alexey.larchenko@gmail.com Суворова Зоя Викторовна Suvorova Zoya Viktorovna suvorova@pgia.ru Балабин Юрий Васильевич Balabin Yuriy Vasilyevich balabin@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 ФГБУН "Полярный геофизический институт" Апатиты Россия ФГБУН "Полярный геофизический институт" Апатиты Russian Federation Полярный геофизический институт РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute RAS Apatity Russian Federation Мурманский арктический государственный университет Апатиты Россия Murmansk Arctic State University Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute RAS Apatity Russian Federation Мурманский арктический государственный университет Апатиты Россия Murmansk Arctic State University Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation 29 09 2023 29 09 2023 9 3 33 46 11 02 2023 27 06 2023 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/57147/view

Методами вычислительного эксперимента исследованы особенности распространения сигналов радиотехнической системы дальней навигации РСДН-20 в высокоширотном участке волновода Земля–ионосфера во время солнечных протонных событий. В работе рассмотрены два протонных события GLE (Ground Level Enhancement) — 13 декабря 2006 г. (GLE70) и 10 сентября 2017 г. (GLE72). Профили концентрации электронов строились по моделям GDMI (Global Dynamic Model of Ionosphere) и RUSCOSMICS, разработанной в Полярном геофизическом институте. Приведены оценки изменений фазы и амплитуды сигналов РСДН-20 во время высыпаний высокоэнергичных протонов в высокоширотной области волновода Земля–ионосфера. По результатам вычислительных экспериментов и анализа затухания электромагнитного сигнала на основе аналитических решений уравнений Максвелла в замагниченной ионосферной плазме обнаружена закономерность в частотной зависимости затухания сигнала, связанная одновременно с высотой отражения сигнала, профилями электронной концентрации и частотой столкновений электронов с нейтральными частицами и с ионами. Обсуждаются ограничения метода вычислительного эксперимента, приведено сравнение результатов моделирования с данными обсерваторий ПГИ «Ловозеро» и «Тулома».

In this paper, we examine the features of RSDN-20 signal propagation in a high-latitude Earth–ionosphere waveguide during solar proton events, using computational experiment methods. We have analyzed two proton ground-level enhancement (GLE) events of December 13, 2006 (GLE70) and September 10, 2017 (GLE72). Electron density profiles were constructed using the Global Dynamic Model of Ionosphere (GDMI) and the RUSCOSMICS model, developed at PGI. We present estimated phase and amplitude changes in RSDN-20 signals during precipitation of high-energy protons in the high-latitude region of the Earth–ionosphere waveguide. From the results of computational experiments and the analysis of the electromagnetic signal attenuation based on analytical Maxwell’s equation system solution in magnetized ionospheric plasma, we have found a pattern in the signal attenuation frequency dependence associated simultaneously with the signal reflection height, electron density profiles, and the collision frequency of electrons with neutral particles and ions. We discuss limitations of the computational experiment method and compare simulation results with data from Lovozero and Tuloma observatories.

 численное моделирование распространение радиоволн ионосфера высокие широты GLE ОНЧ РСДН-20 GDMI numerical modeling radio wave propagation ionosphere high latitudes GLE VLF RSDN-20 GDMI Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-77-10018) (Ахметов О.И., Белаховский В.Б., Маурчев Е.А., Балабин Ю.В.) [https://rscf.ru/project/18-77-10018/] The work was financially supported by RSF Grant (Project No. 18-77-10018) (Akhmetov O.I., Belakhovsky V.B., Maurchev E.A., Balabin Yu.V.) [https://rscf.ru/project/18-77-10018 /]

   

Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В. и др. Определение характеристик ИНЧ-волн, наиболее сильно реагирующих на незначительные изменения электронной плотности ионосферы в области высоких широт. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 4. С. 99-109. DOI: 10.12737/szf-54201911. Akhmetov O.I., Mingalev I.V., Mingalev O.V., Suvorova Z.V., Belakhovsky V.B., Chernyakov S.M. Determination of the characteristics of INCH waves that react most strongly to minor changes in the electron density of the ionosphere at high latitudes. Solar-Terrestrial Physics. 2019, vol. 5, no. 4, pp. 81-90. DOI: 10.12737/stp-54201911. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В. и др. Распространение электромагнитных волн в области высоких широт при различном состоянии ионосферы на частотах системы радионавигации РСДН-20 (Альфа). Геомагнетизм и аэрономия. 2021а. Т. 61, № 3. С. 366-378. DOI: 10.31857/ S0016794021030020. Akhmetov O.I., Mingalev I.V., Mingalev O.V., Belakhovsky V.B., Suvorova Z.V. Propagation of electromagnetic waves in the region of high latitudes at various states of the ionosphere at frequencies of the RSDN-20 (ALPHA) radionavigation system. Geomagnetism and Aeronomy. 2021a, vol. 61, no. 3, pp. 376-388. DOI: 10.1134/S0016793221030026. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В. и др. Распространение электромагнитных волн в области высоких широт при различном состоянии ионосферы на частотах системы точного времени бета. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2021б. Т. 85, № 3. С. 315-320. DOI: 10.31857/S0367676521020034. Akhmetov O.I., Mingalev I.V., Mingalev O.V., Belakhovsky V.B., Suvorova Z.V. Propagation of electromagnetic waves with frequencies of the Beta time signal service through the ionosphere in different states at high latitudes. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2021b, vol. 85, no. 3, pp. 224-229. DOI: 10.3103/S1062873821020039. Гаврилов Б.Г., Ермак В.М., Поклад Ю.В., Ряховский И.А. Оценка изменений параметров среднеширотной нижней ионосферы, вызванных солнечной вспышкой 10 сентября 2017 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 5. С. 628-634. DOI: 10.1134/S0016794019050043. Akhmetov O.I., Belakhovsky V.B., Mingalev I.V., Mingalev O.V., Larchenko A.V., Suvorova Z.V. About the propagation of RSDN-20 “Alpha” signals in the Earth-ionosphere waveguide during geomagnetic disturbances. Radio Sci. 2023, vol. 58, e2022RS007490. DOI: 10.1029/2022RS007490. Деминов М.Г., Шубин В.Н., Бадин В.И. Модель критической частоты E-слоя для авроральной области. Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61, № 5. С. 610-617. DOI: 10.31857/S0016794021050059. Alken P., Thébault E., Beggan C.D., Amit H., Aubert J., Baerenzung J., et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth Planets Space. 2021, vol. 73, 49. DOI: 10.1186/s40623-020-01288-x. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. Теоретическая физика. Т. X. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Наука, 1979. 527 с. Clilverd M., Seppälä A., Rodger C., Thomson N., Verronen P., Turunen E., et al. Modeling polar ionospheric effects during the October-November 2003 solar proton events. Radio Sci. 2006, vol. 41, id RS2001. DOI: 10.1029/2005RS003290. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Модельный комплекс для исследования космических лучей. Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 4. С. 3-8. DOI: 10.12737/21289. Deminov M.G., Shubin V.N., Baidin V.I. Model of the E-layer critical frequency for the auroral region. Geomagnetism and Aeronomy. 2021, vol. 61, no. 5, pp. 713-720. DOI: 10.1134/S0016793221050054. Шубин В.Н. Глобальная эмпирическая модель критической частоты F2-слоя ионосферы для спокойных геомагнитных условий. Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57, № 4. C. 450-462. DOI: 10.7868/S0016794017040186. Dowden R.L., Adams C.D.D. Phase and amplitude perturbations on the NWC signal at Dunedin from lightning-induced electron precipitation. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1989, vol. 94, iss. A1, pp. 497-503. DOI: 10.1029/JA094iA01p00497. Шубин В.Н., Крашенинников И.В., Мерзлый А.М. и др. Динамическая модель высокоширотной ионосферы (DMHI - Dynamic Model of High-latitude Ionosphere): Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021616554 РФ. Опубл. 22.04.2021; заявитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт космических исследований Российской академии наук». 2021. Gavrilov B.G., Ermak V.M., Poklad Yu.V., Ryakhovsky I.A. Estimate of variations in the parameters of the midlatitude lower ionosphere caused by the solar flare of September 10, 2017. Geomagnetism and Aeronomy. 2019, vol. 59, no. 5, pp. 587-592. DOI: 10.1134/S0016793219050049. Akhmetov O.I., Belakhovsky V.B., Mingalev I.V., et al. About the propagation of RSDN-20 “Alpha” signals in the Earth-ionosphere waveguide during geomagnetic disturbances. Radio Sci. 2023. Vol. 58, e2022RS007490. DOI: 10.1029/ 2022RS007490. Gledhill J.A. The effective recombination coefficient of electrons in the ionosphere between 50 and 150 km. Radio Sci. 1986, vol. 21, no. 3, pp. 399-408. DOI: 10.1029/RS021i003p00399. Alken P., Thébault E., Beggan C.D., et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth Planets Space. 2021. Vol. 73, no. 49. DOI: 10.1186/s40623-020-01288-x. Hargreaves J.K. The upper atmosphere and solar-terrestrial relations: An introduction to the aerospace environment. 1st edition.Van Nostrand Reinhold, 1979, 298 p. Clilverd M., Seppälä A., Rodger C., et al. Modeling polar ionospheric effects during the October-November 2003 solar proton events. Radio Sci. 2006. Vol. 41. id RS2001. DOI: 10.1029/2005RS003290. Inan U.S., Cummer S.A., Marshall R.A. A survey of ELF and VLF research on lightning-ionosphere interactions and causative discharges. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010, vol. 115, iss. A6, A00E36. DOI: 10.1029/2009JA014775. Dowden R.L., Adams C.D.D. Phase and amplitude perturbations on the NWC signal at Dunedin from lightning-induced electron precipitation. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1989. Vol. 94, iss. A1. P. 497-503. DOI: 10.1029/JA094iA01p00497. Knipp D., Ramsay A., Beard E., Boright A., Cade T., Hewins I., et al. The May 1967 great storm and radio disruption event: Extreme space weather and extraordinary responses. Space Weather. 2016, vol. 14, pp. 614-633. DOI: 10.1002/2016sw001423. Gledhill J.A. The effective recombination coefficient of electrons in the ionosphere between 50 and 150 km. Radio Sci. 1986. Vol. 21, no. 3, P. 399-408. DOI: 10.1029/RS021i003p00399. Korja T., Engels M., Zhamaletdinov A.A., Kovtun A.A., Palshin N.A., Smirnov M. Yu., et al. Crustal conductivity in Fennoscandia - a compilation of a database on crustal conductance in the fennoscandian shield. Earth Planets Space. 2002, vol. 54, no. 5, pp. 535-558. DOI: 10.1186/BF03353044. Hargreaves J.K. The upper atmosphere and solar-terrestrial relations: An introduction to the aerospace environment. Van Nostrand Reinhold; First Edition (January 1, 1979) 298 p. Lifshits E.M., Pitaevsky L.P. Fizicheskaya kinetika [Physical Kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1979, 527 p. (Landau L.D., Lifshits E.M. Teoreticheskaya fizika. [Theoretical Physics]. Vol. X). (In Russian). Inan U.S., Cummer S.A., Marshall R.A. A survey of ELF and VLF research on lightning-ionosphere interactions and causative discharges. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. Vol. 115, iss. A6. P. A00E36. DOI: 10.1029/2009JA014775. Marshall R.A., Wallace T., Turbe M. Finite-difference modeling of very-low-frequency propagation in the earth-ionosphere waveguide. IEEE Trans. Antennas Propag. 2017, vol. 65, no. 12, pp. 7185-7197. DOI: 10.1109/TAP.2017.2758392. Knipp D., Ramsay A., Beard E., et al. The May 1967 great storm and radio disruption event: Extreme space weather and extraordinary responses. Space Weather. 2016. Vol. 14. P. 614-633. DOI: 10.1002/2016sw001423. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. Model complex for the study of cosmic rays. Solar-Terrestrial Physics. 2016, vol. 2, no. 4, pp. 3-10. DOI: 10.12737/24269. Korja T., Engels M., Zhamaletdinov A.A., et al. Crustal conductivity in Fennoscandia - a compilation of a database on crustal conductance in the fennoscandian shield. Earth Planets Space. 2002. Vol. 54, no. 5. P. 535-558. DOI: 10.1186/BF03353044. Meyer P., Parker E.N., Simpson J.A. Solar cosmic rays of February 1956 and their propagation through interplanetary space. Phys. Rev. 1956, vol. 104, no. 3, pp. 768-783. Marshall R.A., Wallace T., Turbe M. Finite-difference modeling of very-low-frequency propagation in the Earth-ionosphere waveguide. IEEE Trans. Antennas Propag. 2017. Vol. 65, no. 12 P. 7185-7197. DOI: 10.1109/TAP.2017.2758392. Mishev A., Velinov P.I.Y. Determination of medium time scale ionization effects at various altitudes in the stratosphere and troposphere during ground level enhancement due to solar cosmic rays on 13.12.2006 (GLE 70). C.R. Acad. Bulg. Sci. 2015, vol. 68, pp. 1427-1432. Meyer P., Parker E.N., Simpson J.A. Solar cosmic rays of February 1956 and their propagation through interplanetary space. Phys. Rev. 1956. Vol. 104, no. 3. P. 768-783. Perez-Peraza J.A., Márquez-Adame J.C., Caballero-Lopez R.A., Manzano I., Roberto R. Spectra of the two official GLEs of solar cycle 24. Adv. Space Res. 2020, vol. 65, iss. 1, pp. 663-676. DOI: 10.1016/j.asr.2019.10.021. Mishev A., Velinov P.I.Y. Determination of medium time scale ionization effects at various altitudes in the stratosphere and troposphere during ground level enhancement due to solar cosmic rays on 13.12.2006 (GLE 70). C.R. Acad. Bulg. Sci. 2015. Vol. 68. P. 1427-1432. Shubin V.N., Krasheninnikov I.V., Merzly A.M., Reznikov A.E., Yanakov A.T., Tikhonov M.V. Dynamic Model of the High-latitude Ionosphere (DMHI): Certificate of the computer program state registration No. 2021616554 Russian Federation. 22.04.2021; applicant Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe uchrezhdenie nauki Institut kosmicheskih issledovanij Rossijskoj akademii nauk [Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Space Research of the Russian Academy of Sciences]. 2021. Perez-Peraza J.A., Márquez-Adame J.C., Caballero-Lopez R.A., et al. Spectra of the two official GLEs of solar cycle 24. Adv. Space Res. 2020. Vol. 65, iss. 1. P. 663-676. DOI: 10.1016/j.asr.2019.10.021. Shubin V.N. Global empirical model of critical frequency of the ionospheric F2-layer for quiet geomagnetic conditions. Geomagnetism and Aeronomy. 2017, vol. 57, no. 4, pp. 414-425. DOI: 10.1134/S0016793217040181. Schunk R., Nagy A. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry: 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2009. 355 p. (Cambridge Atmospheric and Space Science Series). DOI: 10.1017/CBO9780511635342. Schunk R., Nagy A. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry: 2nd ed. Cambridge, Cambridge University Press, 2009, 355 p. (Cambridge Atmospheric and Space Science Ser.). DOI: 10.1017/CBO9780511635342. Wait J.R., Spies K.P. Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves. Technical Note 300. Boulder: National Bureau of Standards, 1964. 96 p. Wait J.R., Spies K.P. Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves. Technical Note 300. Boulder, National Bureau of Standards, 1964, 96 p.