Seasonal-diurnal features of the medium-scale traveling ionospheric disturbances characteristics in the Asian Region of Russia During years of moderate solar activity

全文:

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (СМ ПИВ) с помощью ионозондов вертикального и наклонного зондирования имеют длительную историю (см., например, [Wells et al.,1946; Munro, 1950]). Ввиду существенного влияния СМ ПИВ на многолучевость КВ ионосферного радиоканала и трудности прогнозирования их появления, реализуются многолетние национальные и международные программы исследования СМ ПИВ с использованием систем радиотрасс наклонного зондирования (НЗ) [Zolesi et al., 2008; Verhulst et al., 2017; Heitmann et al., 2018]. В России аналогичные многолетние исследования активно ведутся в ее европейской части [Вертоградов и др., 2008; Vybornov et al., 2022]. В азиатском регионе России СМ ПИВ исследуются как с использованием многопозиционных измерений на Иркутском радаре некогерентного рассеяния и дигизонде DPS-4 [Medvedev et al., 2013], так и на системе радиотрасс наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы [Софьин и Куркин, 2021]. Однако многообразие потенциальных источников СМ ПИВ и широкий диапазон их собственных характеристик оставляет еще много неясных вопросов в их прогнозировании и возможном использовании для диагностики динамических характеристик нейтральной атмосферы. В данной статье приведены результаты анализа сезонно-суточных зависимостей характеристик СМ ПИВ на основе двухлетнего эксперимента по наклонному зондированию ионосферы азиатского региона России в годы умеренной солнечной активности (2015–2016 гг.).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Мы проанализировали данные наклонного зондирования ионосферы непрерывным сигналом с линейной модуляцией частоты (ЛЧМ-сигнал) в диапазоне 6–30 МГц со скоростью перестройки 500 кГц/с на системе из пяти радиотрасс с использованием аппаратуры, разработанной в ИСЗФ СО РАН и послужившей основой для многофункционального ЛЧМ-ионозонда для мониторинга ионосферы [Подлесный и др., 2013]. Три ЛЧМ-передатчика, расположенные в обсерваториях ИСЗФ СО РАН в Норильске (координаты 70.1° N, 88.1° E; мощность 150 Вт) и ИКИР ДВО РАН вблизи Магадана (60° N, 150.7° E; 150 Вт) и Хабаровска (47.6° N, 134.7° E; 15 Вт), излучали круглосуточно с интервалом 5 минут. В Норильске и Магадане передача велась на логопериодические антенны, в Хабаровске – на горизонтальный ромб. Два приемных пункта расположены в п. Торы вблизи Иркутска (координаты 51.8° N, 103.1° E) и вблизи Норильска (рис. 1).

 

Рис. 1. Система радиотрасс наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы в азиатском регионе России.

 

В Иркутске прием проводился на дельтаобразную антенну размахом 36 м на мачте высотой 10 м, в Норильске – на активную рамочную антенну диаметром 1 м. Буквами A, B, C, D и E на рис. 1 обозначены средние точки односкачковых радиотрасс, анализируемых в данной работе. Непрерывный мониторинг в режиме наклонного зондирования осуществлялся на 5 трассах: Хабаровск−Иркутск (2300 км), Магадан−Иркутск (3000 км), Норильск−Иркутск (2100 км), Хабаровск−Норильск (3500 км) и Магадан−Норильск (3000 км). Эксперимент проводился в годы умеренной солнечной активности на спаде 24-го цикла, когда ежемесячное усредненное количество солнечных пятен уменьшалось от 90 до 30.

На рис. 2, в качестве иллюстрации, для трассы Хабаровск−Иркутск показаны характерные возмущения (Z-типа) на ионограммах наклонного зондирования, возникающие за счет дополнительной многолучевости принимаемого сигнала при пересечении СМ ПИВ области в окрестности точки отражения односкачкового сигнала. Область эффективного воздействия СМ ПИВ на регистрируемые ионограммы составляет несколько сотен км в окрестности средней точки трассы [Софьин и Куркин, 2021]. Следует отметить, что в отличие от вертикального и слабонаклонного зондирования возмущенная область на ионограммах НЗ (Z-типа) всегда спускается вдоль трека верхнего луча вниз, переходя, как правило, со временем на нижний луч и продолжая движение в область меньших задержек.

 

Рис. 2. Примеры ионограмм НЗ с возмущениями Z-типа для трассы Хабаровск−Иркутск с интервалом 5 мин.

 

Указанная система радиотрасс позволила провести сопоставление влияния СМ ПИВ на ионограммы наклонного зондирования для односкачковых радиотрасс азиатского региона России при различной их ориентации и при расположении области отражения сигналов в средних и субполярных широтах. В качестве характеристик возмущений ионограмм в дальнейшем будут использоваться:

P_t – вероятность регистрации СМ ПИВ, определяемая отношением числа ионограмм с возмущениями Z-типа к общему числу зарегистрированных ионограмм в течение часового интервала наблюдений;

P_d – среднесуточная вероятность регистрации СМ ПИВ, определяемая отношением возмущенных ионограмм для какого-либо числа выбранного месяца к общему числу зарегистрированных ионограмм в этот день;

T_n – длительность регистрации конкретного СМ ПИВ определяемая произведением числа возмущенных ионограмм, где он присутствует, на пятиминутный интервал регистрации.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЯ

Передающие пункты рассматриваемой системы радиотрасс работали стабильно в течении всего анализируемого периода наблюдений, обеспечивая излучение в более 95% всех планируемых сеансов. Исключение составляют сентябрь 2015 г. для Магаданского пункта (65%) и август 2015 г. для Норильского передатчика (75%). Приемный пункт в п. Торы вблизи Иркутска работал без сбоев. Норильский приемный пункт, расположенный на выносном пункте “Исток” Норильской комплексной магнитно-ионосферной станции (КМИС) в тундре в 100 км от Норильска, обеспечил регистрацию ионограмм в более 80% случаев, когда излучали передатчики в Хабаровске и в Магадане. Исключение составил март 2016 г., когда было зарегистрировано около 50% излученных сигналов.

Для среднеширотных трасс Хабаровск−Иркутск, Магадан−Иркутск и Норильск−Иркутск суточный ход вероятности регистрации СМ ПИВ (P_t) в зимние месяцы имеет ярко выраженный максимум в дневные часы местного времени в средних точках указанных радиотрасс.

На рис. 3 (а и б) вертикальными линиями указан диапазон значений P_t ото дня ко дню для каждого часа суток в декабре 2015 г. для трасс Хабаровск−Иркутск и Магадан−Иркутск. Среднемесячные значения P_t, указанные здесь точками, в дневные часы превышали 70%. Среднесуточная вероятность регистрации СМ ПИВ (P_d) была максимальной на трассе Хабаровск−Иркутск (в среднем более 40%), достигая в отдельные дни 60% (рис. 3в). Вероятность регистрации СМ ПИВ длительностью от 30 до 70 мин превышала 60%. При этом интервал минимальной вероятности регистрации возмущенных ионограмм в суточном ходе (12–20 UT) для трассы Хабаровск−Иркутск хорошо коррелирует с данными многолетних наблюдений временной зависимости интенсивности ВГВ вблизи средней точки радиотрассы (ст. Мохэ) с использованием метеорного радара [Long et al., 2023]. На трассах Магадан−Иркутск и Норильск−Иркутск в освещенное время суток (00–09 UT) среднемесячные значения вероятности регистрации возмущений P_t превышали 60%, достигая в отдельные дни 100% так же, как и для трассы Хабаровск−Иркутск. В ночные часы частота появления СМ ПИВ на этих трассах мала, хотя критические частоты в средних точках трасс незначительно ниже, чем для трассы Хабаровск−Иркутск. Среднесуточная вероятность регистрации СМ ПИВ (P_d) в декабре 2015 г. на трассе Магадан−Иркутск варьировалась от 10% до 40% (рис. 3г). Длительность регистрации каждого СМ ПИВ (T_n) для этих трех радиотрасс варьировалась от 15 до 90 минут. При этом, значения T_n, равные 30 мин и более, зарегистрированы приблизительно в 70% случаев. Указанные особенности вероятностных характеристик СМ ПИВ на среднеширотных односкачковых радиотрассах азиатского региона России характерны как для остальных месяцев зимнего сезона 2015–2016 гг. [Kurkin et al., 2023], так и для зимнего сезона 2014–2015 гг.

 

Рис. 3. Характеристики СМ ПИВ (P_t, P_d, T_n) в декабре 2015 г. для радиотрасс Хабаровск−Иркутск (а, в, д) и Магадан−Иркутск (б, г, е).

 

На субполярной радиотрассе Магадан−Норильск среднемесячные значения вероятности регистрации возмущений P_t в дневные часы были существенно ниже, не превышая 60%, а интервал времени регистрации ПИВ сократился (01–08 UT). В остальные часы вероятность регистрации СМ ПИВ очень мала, что связано с низкой концентрацией фоновой ионосферы в это время вдоль субполярной радиотрассы. Длительность регистрации отдельных СМ ПИВ, в основном, составляла 15–35 мин.

Для весеннего сезона характерно существенное падение вероятности регистрации СМ ПИВ (P_t) на трассах Хабаровск−Иркутск (рис. 4а) и Магадан−Иркутск в дневные часы местного времени и увеличение ее в утренние и вечерние часы. При этом среднесуточная вероятность регистрации СМ ПИВ (P_d) уменьшилась незначительно за счет расширения временного интервала регистрации СМ ПИВ. Незначительно изменились и гистограммы распределения времени регистрации отдельных СМ ПИВ (T_n) для этих радиотрасс.

 

Рис. 4. Характеристики СМ ПИВ (P_t, P_d, T_n) для радиотрасс Хабаровск−Иркутск (а, в, д) и Норильск−Иркутск (б, г, е) в марте 2016 г.

 

На трассе Норильск−Иркутск наряду с уменьшением дневного максимума P_t (рис. 4б) отмечается существенная изменчивость как вероятности регистрации СМ ПИВ ото дня ко дню в одни и те же часы, так и длительности регистрации отдельных СМ ПИВ в результате перестройки глобальной атмосферной циркуляции. Более 60% зарегистрированных СМ ПИВ имели длительность T_n менее 30 мин.

Для радиотрасс Хабаровск−Норильск и Магадан−Норильск дневной максимум вероятности регистрации СМ ПИВ увеличился по сравнению с зимним сезоном до 60% при незначительном росте вероятности регистрации СМ ПИВ в ночные часы.

Аналогичные особенности проявления СМ ПИВ на среднеширотных трассах азиатского региона России Хабаровск−Иркутск, Норильск−Иркутск и Магадан−Иркутск зарегистрированы в осенний сезон (рис. 5). Для радиотрасс Хабаровск−Норильск и Магадан−Норильск дневной максимум среднемесячных значений вероятности регистрации СМ ПИВ (P_t) осенью не превышал 30%.

 

Рис. 5. То же, что на рис. 4, для сентября 2015 г.

 

В летние месяцы на всех трассах в дневные часы местного времени регистрировалось минимальное количество СМ ПИВ (не более 20%) с выраженным максимумом среднемесячной вероятности (около 60%) в ночные часы. Наряду с большими длительностями (40 мин и более) в эти дни наблюдались многочисленные СМ ПИВ с длительностями 30 минут и менее. В качестве иллюстрации на рис. 6 приведены характеристики СМ ПИВ на трассах Хабаровск−Иркутск и Норильск−Иркутск в июне 2015 г. Существенные вариации среднесуточных вероятностей регистрации СМ ПИВ (P_t) в периоды 8–10 и 22–28 июня объясняются влиянием умеренной и мощной геомагнитных бурь.

 

Рис. 6. Характеристики СМ ПИВ (P_t, P_d, T_n) для радиотрасс Хабаровск−Иркутск (а, в, д) и Норильск−Иркутск (б, г, е) в июне 2015 г.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суточный ход вероятности регистрации СМ ПИВ на односкачковых радиотрассах в азиатском регионе России в годы умеренной солнечной активности имеет ярко выраженную сезонную зависимость. Для зимнего сезона на всех рассмотренных трассах наблюдается дневной максимум P_t, достигающий на среднеширотных радиотрассах в отдельные дни 100%. В летний сезон максимум P_t приходится на ночные часы местного времени в средней точке соответствующей трассы. Наиболее вероятной причиной этого является переход от зимней к летней системе атмосферной циркуляции. Поэтому в весенний и осенний сезоны отмечены существенные изменения как вероятности регистрации СМ ПИВ ото дня ко дню, так и длительности регистрации отдельных СМ ПИВ в течение суток.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 20-12-00299-П), использованы экспериментальные данные и результаты первичной обработки, полученные при финансовой поддержке Минобрнауки (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278) с помощью оборудования Центра коллективного пользования “Ангара” (http://ckp-angara.iszf.irk.ru/).

作者简介

V. Kurkin

Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Russian New University

编辑信件的主要联系方式.
Email: vikurkin@yandex.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk, Moscow

A. Podlesnyi

Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: pav1986@rambler.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk

M. Cedrik

Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: mark7cedrick@gmail.com
俄罗斯联邦, Irkutsk

A. Sofyin

Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Russian New University

Email: sof@rambler.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Moscow

参考

补充文件