Иркутск, Россия
Москва, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
Эта методическая статья рассматривает возможность оценки в разных условиях максимума электронной концентрации области F2 ионосферы (NmF2) по данным о частоте спектральных полос (гармоник) излучения ионосферного альф-веновского резонатора (ИАР). Описана простая методика отслеживания частоты спектральных полос в течение суток по измерению их положения на графике суточного динамического спектра ИАР. С привлечением расчетов в рамках глобальной ионосферной модели IRI-2016 проверена корректность сравнения измеренных в одной точке частот резонансных полос с данными радиозондирования, выполнявшегося в других точках, удаленных от пунктов измерения частот ИАР на некоторое расстояние. Предложен алгоритм сравнения измеряемой радиозондом NmF2 с частотами спектральных линий путем предварительного вычисления оценочного фактора. Он формируется на основе нелинейной комбинации частот трех наблюдаемых гармоник. Затем временной ряд этого фактора сравнивается с результатами радиозондирования, вычисляются коэффициенты корреляции и регрессии и подсчитываются ошибки оценок. На материале редких случаев круглосуточного наблюдения излучения ИАР в зимние месяцы 2011–2012 гг. была прослежена зависимость средней ошибки определения NmF2 от местного времени. Приведены данные о наиболее благоприятных интервалах местного времени для определения NmF2 по данным о частотах гармоник ИАР в зависимости от сезона. Обсуждаются некоторые дополнительные факторы, влияющие на точность оценок и определяющие частотный диапазон излучения ИАР.
ионосферный альфвеновский резонатор, спектральные полосы, гармоники излучения, максимум электронной концентрации, суточные вариации, регрессионный анализ
1. Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопорт В.О., Трахтенгерц В.Ю. Обнаpужение pезонансной стpуктуpы спектpа атмосферного электpомагнитного шумового фона в диапазоне коpоткопеpиодных геомагнитных пульсаций. Докл. АН СССР. 1987. Т. 297. С. 840-843.
2. Беляев П.П., Поляков С.В., Ермакова Е.Н., Исаев С.В. Экспериментальные исследования ионосферного альфвеновского резонатора по наблюдениям электромагнитного шумового фона в солнечном цикле 1985-1995 гг. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 10. С. 1305-1319.
3. Гетманов В.Г., Довбня Б.В., Корнилов А.С. Оценка частотных и амплитудных параметров геомагнитных пульсаций типа «серпентинная эмиссия». Геомагнетизм и аэрономия. 2018. Т. 58, № 4. С. 540-550.
4. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с.
5. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля МГД-волны в неоднородной плазме. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1984. Вып. 70. С. 149-157.
6. Гульельми А.В., Фейгин Ф.З. Воздействие пондеромоторных сил на магнитосферу Земли. Физика Земли. 2018. № 5. C. 53-60. DOI:https://doi.org/10.1134/S1069351318050075.
7. Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. О спектре ультранизкочастотных колебаний ионосферы в диапазоне Рс1. Геофизические исследования. 2023. Т. 24, № 1. С.74-84. DOI:https://doi.org/10.21455/gr2023.1-5.
8. Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Поляков С.В. Исследование особенностей резонансной структуры спектра фонового шума в диапазоне частот 1-10 Гц с учетом наклона магнитного поля Земли. Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 7. С. 575-584.
9. Ермакова Е.Н., Поляков С.В., Семенова Н.В. Исследование тонкой структуры в спектре фонового низкочастотного шума на средних широтах. Physics of Auroral Phenomena. Proc. XXXIV Annual Seminar. Apatity. 2011. Т. 34, № 2. Р. 147-150.
10. Колосков А.В., Бару Н.А. Определение критической частоты F-слоя по данным наблюдений ионосферного альфвеновского резонанса. Украинский антарктический журнал. 2011-2012. № 10-11. С. 114-120.
11. Поляков С.В. О свойствах ионосферного альфвеновского резонатора. Тезисы докладов Симпозиума КАПГ по солнечно-земной физике. Часть 3. М.: Наука, 1976. C. 72-73.
12. Поляков С.В., Рапопорт В.О. Ионосферный альфвеновский резонатор. Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 5. С. 816-822.
13. Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Ойнац А.В. и др. Первый опыт оценки ионного состава над ионосферой по данным о частотной структуре излучения ИАР. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 2. С. 192-202. DOI:https://doi.org/10.21046/2070-7401-2016-13-2-192-202.
14. Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Цэгмэд Б. Морфология и диагностический потенциал ионосферного альфвеновского резонатора. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3. С. 39-56. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-73202104.
15. Baru N., Koloskov A., Yampolsky Y., Rakhmatulin R. Multipoint observations of Ionospheric Alfvén Resonance. Adv. Astron. Space Phys. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 45-49. DOI:https://doi.org/10.17721/2227-1481.6.45-49.
16. Beggan C.D. Automatic detection of ionospheric Alfvén resonances using signal and image processing techniques. Ann. Geophys. 2014. Vol. 32. P. 951-958. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-32-951-2014.
17. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Y. Theory for the formation of resonance structure in the spectrum of atmospheric electromagnetic background no ise in the range of short-period geomagnetic pulsations. Radiophysics and Quantum Electronics. 1989. Vol. 32, no. 7. P. 594-601.
18. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Yu. The ionospheric Alfvén resonator. J. Atmos. Terr. Phys. 1990. Vol. 52, no. 9. P. 781-788.
19. Belyaev P.P., Bösinger T., Isaev S.V., Kangas J. First evidence at high latitudes for the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, iss. A3. P. 4305-4317. DOI:https://doi.org/10.1029/1998JA900062.
20. Bösinger T., Haldoupis C., Belyaev P.P., et al. Special properties of the ionospheric Alfvén resonator observed at a low-latitude station (L=1.3). J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, A10. P. 1281-1289. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA005076.
21. Bösinger T., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. Fine structure in ionospheric Alfvèn resonator spectra observed at low latitude (L=1.3). Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31. L18802. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL020777.
22. Chaston C.C., Bonnell J.W., Carlson C.W., et al. Electron acceleration in the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. A11. P. 1413.
23. Demekhov A.G., Belyaev P.P., Isaev S.V., et al. Modeling the diurnal evolution of the resonance spectral structure of the atmospheric noise background in the Pc1 frequency range. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. Vol. 62. P. 257-265. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(99)00119-4.
24. Dudkin D., Pilipenko V., Korepanov V., et al. Electric field signatures of the IAR and Schumann resonance in the upper ionosphere detected by Chibis-M microsatellite. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. Vol. 117. P. 81-87. DOI: 10.1016j.jastp. 2014.05.013.
25. Fedorov E.N., Mazur N.G., Pilipenko V.A., Ermakova E.N. Modeling diurnal variations of the IAR parameters. Acta Geod. Geophys. 2016. Vol. 51, no. 4. P. 597-617. DOI: 10.1007/ s40328-015-0158-9.
26. Greifinger C., Greifinger P. Theory of hydromagnetic propagation in the ionospheric waveguide. J. Geophys. Res. 1968. Vol. 73. P. 7473-7490.
27. Guglielmi A., Potapov A., Russell C. The ion cyclotron resonator. JETP Letters. 2000. Vol. 72, iss. 6. P. 432-435.
28. Hasegawa A., Chen L. Theory of magnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1974. Vol. 16. P. 347-359.
29. Lysak R.L. Feedback instability of the ionospheric resonant cavity. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, no. A2. P. 1553-1568.
30. Lysak R.L. Magnetosphere-ionosphere coupling by Alfvén waves at midlatitudes. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. A07201. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010454.
31. Lysak R.L., Yoshikawa A. Resonant cavities and wave-guides in the ionosphere and atmosphere. Magnetospheric ULF Waves: Synthesis and New Directions. Geophys. Monograph Ser. 2006. Vol. 169. P. 289-306. Washington: American Geophysical Union Publ., DC, USA, 2006.
32. Lysak R.L., Waters C.L., Sciffer M.D. Modeling of the ionospheric Alfvén resonator in dipolar geometry. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. Vol. 118, no. 4. P. 1514-1528. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50090.
33. Marangio P., Christodoulou V., Filgueira R., et al. Automatic detection of ionospheric Alfvén resonances in magnetic spectrograms using U-net. Computers and Geosciences. 2020. Vol. 145. Article 104598. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cageo.2020.104598.
34. Parent A., Mann I.R., Rae I.J. Effects of substorm dynamics on magnetic signatures of the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. Vol. 115. Art. no. A02312. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014673.
35. Pokhotelov O.A., Pokhotelov D., Streltsov A., et al. Dispersive ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, no. A4. P. 7737-7746. DOI:https://doi.org/10.1029/1999JA900480.
36. Pokhotelov O.A., Khruschev V., Parrot S., et al. Ionospheric Alfvén resonator revisited: Feed-back instability. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A11. P. 25813-258234. DOI:https://doi.org/10.1029/2000JA000450.
37. Pokhotelov O.A., Feygin F.Z., Khabazin Yu, et al. Observations of IAR spectral resonance at a large triangle of geophysical observatories.. Proc. XXVI Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. Apatity: Kola, Science Center, RAS. 2003. P. 123-126.
38. Potapov A.S., Polyushkina T.N. Response of IAR frequency scale to solar and magnetic activity in solar cycle 24. AIMS Geosciences. 2020a. Vol. 6, iss. 4. P. 545-560. DOI:https://doi.org/10.3934/geosci.2020031.
39. Potapov A.S., Polyushkina T.N. Estimation of the ionosphere critical frequency without radio sounding. IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2020b. Vol. 58, no. 7. P. 5058-5065. DOI:https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.2972011.
40. Potapov A., Polyushkina T., Dovbnya B., et al. Emissions of ionospheric Alfvén resonator and ionospheric conditions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. Vol. 119. P. 91-101. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2014.07.001.
41. Potapov A.S., Guglielmi A.V., Klain B.I. Discrete spectrum of ULF oscillations of the ionosphere. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022a. Vol. 60. Art. no. 4600505. DOI:https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3092738.
42. Potapov A.S., Guglielmi A.V., Klain B.I. Ratio between discrete IAR frequencies from observations in the solar cycle 24. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022b. Vol. 60. Art no. 2004605. DOI:https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3170473.
43. Reinisch B.W., Haines D.M., Bibl K., et al. Ionospheric sounding support of over-the-horison radar. Radio Sci. 1997. Vol. 32, no. 4. P. 1681-1694. DOI:https://doi.org/10.1029/97RS00841.
44. Reinisch B.W., Huang X.-Q., Belehaki A., et al. Modeling the IRI topside profile using scale height from ground-based ionosonde measurements. Adv. Space Res. 2004. Vol. 34. P. 2026-2031. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2004.06.012.
45. Schumann W.O. On the radiation free self oscillations of a conducting sphere, which is surrounded by an air layer and an ionospheric shell. Z Naturforsch. 1952. Vol. 72. P. 149-155.
46. Semenova N.V., Yahnin A.G., Vasil’ev A.N., Amm O. Specific features of resonance structures in spectra of ULF electromagnetic noise at high latitudes (Barentsburg Observatory). Geomagnetism and Aeronomy. 2008. Vol. 48. P. 36-44. DOI:https://doi.org/10.1007/s11478-008-1005-8.
47. Simões F., Klenzing J., Ivanov S., et al. Detection of ionospheric Alfvén resonator signatures in the equatorial ionosphere. J. Geophys. Res.: Space Res. 2012. Vol. 117. A11305. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017709.
48. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974. Vol. 22. P. 483-491.
49. Stanislawska I., Juchnikowski G., Gulyaeva T.L. Correla-tion distances based on ionospheric and geomagnetic catalogues. Proc. STP-V Workshop. Hitachi, Japan. 1997. P. 387-390.
50. Surkov V.V., Pokhotelov O.A., Parrot M., et al. Excitation of the ionospheric resonance cavity by neutral winds at middle latitudes. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 2877-2889. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-2877-2004.
51. Surkov V.V., Hayakawa M., Schekotov A.Y., et al. Ionospheric Alfvén resonator excitation due to nearby thunderstorms. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111, iss. A1. A01303. DOI:https://doi.org/10.1029/2005JA011320.
52. Yahnin A.G., Semenova N.V., Ostapenko A.A., et al. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background noise in the range of 0.1-4 Hz at L=5.2. Ann. Geophys. 2003. Vol. 21. P. 779-786. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-21-779-2003.
53. URL: https://data.kmio.istp.ac.ru (дата обращения 19 апреля 2023 г.).
54. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (дата обращения 19 апреля 2023 г.).
55. URL: https://rscf.ru/project/22-27-00280/ (дата обращения 19 апреля 2023 г.).
