Параметри рухомих іоносферних збурень: результати просторово рознесеного похилого ВЧ радіозондування
Анотація
Актуальність. Особливості іоносферного радіоканалу полягають у залежності його параметрів від фази сонячної активності, стану Сонця, стану атмосферно-космічної погоди, пори року, часу доби, географічних координат тощо. Атмосфера й іоносфера, а значить і відповідні радіоканали, рідко бувають спокійними. Зазвичай вони збурюються високоенергетичним джерелами природного та техногенного походження. Саме збурення параметрів радіоканалу обмежують потенційні тактико-технічні характеристики систем радіозвʼязку, радіолокації, радіонавігації, дистанційного радіозондування Землі з космосу та радіоастрономії. Для зменшення впливу нестаціонарних і випадкових збурень необхідна їх діагностика та наступна адаптація до збурених умов. Динамічні процеси в атмосфері досліджуються багатьма радіофізичними методами: трансіоносферним радіозондуванням сигналами Глобальної навігаційної супутникової системи, некогерентного розсіяння, вертикального та похилого зондування іоносфери тощо. Похиле зондування іоносфери має низку переваг. При цьому використовують як власні радіопередавачі, так і передавачі світової мережі радіомовних або службових радіостанцій. Безперервний моніторинг іоносфери та іоносферного радіоканалу стає більш дешевим саме при використанні світової мережі. При цьому метод радіозондування є пасивним. Він дозволяє охопити моніторингом значні території Земної кулі (аж до глобальних). Метод має високу чутливість завдяки вимірюванням допплерівського зміщення частоти та амплітуди сигналу. Його роздільна здатність за часом складає близько 10 с, за частотою – 0.01–0.1 Гц. Точність вимірювання допплерівського зміщення частоти не гірше 0.01 Гц. При цьому вдається моніторити відносні варіації концентрації електронів N не менше 10–4–10–3 або досліджувати рух іоносферної плазми зі швидкістю не менше 0.1–1 м/с.
Метою цієї роботи є викладення результатів визначення головних параметрів рухомих іоносферних збурень над КНР за допомогою багатотрасового похилого ВЧ радіозондування іоносфери.
Методи і методологія. Для просторово рознесеного похилого ВЧ радіозондування іоносфери було використано багаточастотний багатотрасовий когерентний радіотехнічний комплекс, розміщений на території Харбінського інженерного університету. Моніторинг проведено на 14 радіотрасах різної протяжності та орієнтації. Для гармонічної моделі рухомих іоносферних збурень з використанням трьох радіотрас визначено фазові зсуви на двох інших радіотрасах по відношенню до опорної радіотраси. Цей зсув дорівнює добутку хвильового вектору на відому базу, що визначається відстанню та орієнтацією між радіопередавачами. В загальному випадку є не одне рухоме іоносферне збурення, а суперпозиція низки рухомих іоносферних збурень різних масштабів і напрямків їх руху. Для визначення параметрів цих збурень спочатку знаходяться крос-спектри, з яких обчислюються періоди та фази крос-спектрів.
Результати. Стосовно просторово рознесеного похилого радіозондування іоносфери зі застосуванням багаточастотного багатотрасового когерентного радіотехнічного комплексу ВЧ діапазону розроблено методику визначення періодів, горизонтальних довжин хвиль і азимуту приходу рухомих іоносферних збурень. За допомогою крос-спектрального аналізу визначено періоди, горизонтальні довжини хвиль, горизонтальну швидкість і азимути переважаючих за амплітудою рухомих іоносферних збурень. Підтверджено, що рухомі іоносферні збурення з періодами ~16–40 хв та швидкостями в декілька сотень метрів за секунду викликані генерацією та поширенням атмосферних гравітаційних хвиль. Хвилі з періодом ~10–13 хв мали електромагнітну природу. Відносна амплітуда збурень концентрації електронів у хвилі зазвичай складала ~1–10%. Як правило, рухомі іоносферні збурення переміщувалися вздовж магнітного меридіану, причому частіше за все з півночі на південь.
Висновки. Успішне функціонування комплексу та працездатність запропонованих методик продемонстровано на прикладі визначення основних параметрів рухомих іоносферних збурень.
Завантаження
Посилання
2. Chum J, Athieno R, Baše J, Burešová D, Hruška F, Laštovička J, McKinnell LA, Šindelářová T. Statistical investigation of horizontal propagation of gravity waves in the ionosphere over Europe and South Africa.
J. Geophys. Res. 2012;117:A03312. https://doi.org/10.1029/2011JA017161
3. Chernogor LF, Garmash KP, Zhdanko YH, Leus SG, Podnos VA. Software and hardware
system of multi-frequency oblique sounding the ionosphere. Visnyk of V. N. Karazin Kharkiv
National University. Series «Radio Physics and Electronics». 2020;33:42-59. (In Ukrainian).
https://doi.org/10.26565/2311-0872-2020-33-04
4. Chernogor LF, Garmash KP, Zhdanko YH, Leus SG, Luo Y. Features of ionospheric effects from the partial solar eclipse over the city of Kharkiv on 10 June 2021. Radio Physics and Radio Astronomy. 2021;26(4):326-343. (In Ukrainian). https://doi.org/10.15407/rpra26.04.326
5. Guo Q, Chernogor LF, Garmash KP, Rozumenko VT, Zheng Y. Dynamical processes in the ionosphere following the moderate earthquake in Japan on 7 July 2018. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2019;186:88-103. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.02.003
6. Luo Y, Guo Q, Zheng Y, Garmash KP, Chernogor LF, Shulga SM. HF radio-wave characteristic variations over China during moderate earthquake in Japan on September 5, 2018. Visnyk of V. N. Karazin Kharkiv National University. Series «Radio Physics and Electronics». 2019;30:16-26. (In Ukrainian). https://doi.org/10.26565/2311-0872-2019-30-02
7. Guo Q, Chernogor LF, Garmash KP, Rozumenko VT, Zheng Y. Radio Monitoring of Dynamic Processes in the Ionosphere Over China During the Partial Solar Eclipse of 11 August 2018. Radio Science. 2020;55:e2019RS006866. https://doi.org/10.1029/2019RS006866
8. Luo Y, Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Rozumenko VT, Shulga SN, Zheng Y. Ionospheric effects of the Kamchatka meteoroid: Results from multipath oblique sounding. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2020;207:105336. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105336
9. Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Rozumenko VT, Zheng Y, Luo Y. Supertyphoon Hagibis action in the ionosphere on 6–13 October 2019: Results from multi-frequency multiple path sounding at oblique incidence. Advances in Space Research. 2021;67(8):2439-2469. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.01.038
10. Luo Y, Guo Q, Zheng Y, Garmash KP, Chernogor LF, Shulga SM. Geospace storm effects on August 5—6, 2019. Space Science and Technology. 2021;27(2(129)):45-69. (In Ukrainian).
11. Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Zheng Y. Effects of the Strong Ionospheric Storm of August 26,
2018: Results of Multipath Radiophysical Monitoring. Geomagnetism and Aeronomy. 2021;61(1):73-91. https://doi.org/10.1134/S001679322006002X
12. Luo Y, Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Rozumenko VT, Zheng Yu. Dynamic processes in the magnetic field and in the ionosphere during the 30 August – 2 September, 2019 geospace storm. Annales Geophysicae. 2021;39(4). https://doi.org/10.5194/angeo-39-657-2021
13. Zheng Y, Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Rozumenko VT, Luo Y. Disturbances in the Ionosphere and Distortion of Radio Wave Characteristics That Accompanied the Super Typhoon Lekima Event of
4 – 12 August 2019. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2022;127:e2022JA030553. https://doi.org/10.1029/2022JA030553
14. Chernogor LF, Garmash KP, Guo Q, Rozumenko VT, Zheng Y, Luo Y. Disturbances in the ionosphere that accompanied typhoon activity in the vicinity of China in September 2019. Radio Science. 2022;57:e2022RS007431. https://doi.org/10.1029/2022RS007431
15. Nakata H, Nozaki K, Oki Y. et al. Software-defined radio-based HF doppler receiving system. Earth Planets Space. 2021;73(209). https://doi.org/10.1186/s40623-021-01547-5
16. Zhou C, Zhao Z, Deng F, Ni B, Chen G. Midlatitude ionospheric HF channel reciprocity: Evidence from the ionospheric oblique incidence sounding experiments. Radio Sci. 2010:45:RS6017, https://doi.org/10.1029/2010RS004477
17. Vilella C, Miralles D, Pijoan JL. An Antarctica-to-Spain HF ionospheric radio link: Sounding results. Radio Sci. 2008;43:RS4008. https://doi.org/10.1029/2007RS003812
18. Ads AG, Bergadà P, Vilella C, Regué JR, Pijoan JL, Bardají R, Mauricio J. A comprehensive sounding
of the ionospheric HF radio link from Antarctica to Spain. Radio Sci. 2012;48:1-12. https://doi.org/10.1029/2012RS005074
19. Pietrella M, Perrone L, Fontana G, Romano V, Malagnini A, Tutone G, Zolesi B, Cander LjR, Belehaki A, Tsagouri I, Kouris SS, Vallianatos F, Makris J, Angling M. Oblique-incidence ionospheric soundings over Central Europe and their application for testing now casting and long term prediction models. Advances in Space Research. 2009;43(11):1611-1620. https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.01.022
20. Vertogradov G, Uryadov V, Vertogradov V. Oblique Sounding and Modeling of the Ionospheric HF Channel. Radiophys Quantum Electron. 2005;48:405-419. https://doi.org/10.1007/s11141-005-0084-8
21. Gossard EE, Hooke YX. Waves in the Atmosphere: Atmospheric Infrasound and Gravity Waves, Their Generation and Propagation (Developments in Atmospheric Science). Elsevier Scientific Pub. Co., 1975. 472 p.
22. Otsuka Y, Suzuki K, Nakagawa S, Nishioka M, Shiokawa K, Tsugawa T. GPS observations of medium-scale traveling ionospheric disturbances over Europe. Ann. Geophys. 2013;31:163-172, https://doi.org/10.5194/angeo-31-163-2013
