Физика/6. Радиофизика
МожаеваН.С.
Научно-исследовательский
институт физики Южного федерального университета, Россия
Роль эквивалентной толщины ионосферы 
в определении условий распространения радиоволн.
Аннотация.
Полное электронное
содержание ионосферы TEC
становится ее важнейшим параметром. С использованием данных глобальных карт TEC, получаемых с
помощью глобальных сети GPS
спутников, и ионосферных станций можно определить эквивалентную толщину
ионосферы. В данной работе медиана этой толщины τ(med) используется для получения критической
частоты foF2,
определяющей условия распространения радиоволн в ионосфере. Рассмотрены случаи
возмущенных условий в максимуме солнечной активности (2001, 2013 гг.).
Результаты показывают, что рассчитанные значения намного ближе к
экспериментальным, чем значения модели IRI.
Ключевые
слова: ионосфера, полное электронное содержание,
эквивалентная толщина ионосферы, условия распространения радиоволн.
I.
Введение
Ионосфера, ионизованная область космического пространства, играет огромную роль как для систем наземной, так и космической связи. Для функционирования этих систем является важным знание условий распространения радиоволн. В 20 веке традиционным было использование данных наземных ионосферных станций, которые обеспечивали условия распространения до высоты максимума ионосферы (~300-500 км). Основными параметрами были критическая частота foF2 (или максимальная концентрация NmF2 = 1.24*1010foF22), высота максимума hmF2, фактор распространения M3000F2, определяющий главную характеристику: максимальную применимую частоту МПЧ= M3000F2*foF2. С появлением навигационных спутников возникла возможность определения другого параметра полного электронного содержания ТЕС, который стал основным при описании состояния околоземной плазмы. В данной работе этот параметр используется для определения foF2. Это возможно в силу пропорциональности параметров ТЕС и NmF2. Коэффициент пропорциональности является эквивалентной толщиной ионосферы τ= ТЕС /NmF2. Традиционным является использование в качестве этого коэффициента эквивалентной толщины из Международной справочной модели ионосферы τ(IRI) [1-3].
II.
Постановка
задачи
Предлагаемый
подход состоит в использовании экспериментальной медианы τ(med),
которая сильно отличается от τ(IRI). Целью является
показать, насколько при этом улучшается определение условий распространения.
Наибольший интерес представляет ситуация во время возмущений.
III.
Результаты
Для примера выбран случай апреля 2001, когда было 3 возмущения, два из которых являются очень сильными, как видно на рис. 1.
Рис. 1. Геофизическая обстановка в апреле 2001 по
данным базы [4].
Метод анализа заключался в расчете значений foF2(IRI) по модели IRI, значений foF2(rec), полученных с использованием τ(med), и сравнении этих значений с экспериментальными величинами foF2(obs). Расчеты проведены для 8 станций европейского региона. Иллюстрация дается на рис. 2 на примере трех станций (Moscow, Rostov, Sodankyla) для 3-х возмущений. Приводятся значения ТЕС вместе с медианами и соответствующие значения foF2 также вместе с их медианами.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.
2. Сравнение рассчитанных в соответствии с различными опциями значений с
экспериментальными данными в апреле 2001.
Основные результаты сводятся к следующему. Первый
случай характеризуется положительным возмущением в TEC, однако это не привело
к большим положительным отклонениям foF2 от медианы. В целом,
значения foF2(rec) ближе к foF2(obs),
чем IRI. Более выраженной эта тенденция является для второго и
третьего возмущений, которые носят отрицательный характер. В периоды без
возмущений модель IRI дает значения, более близкие к медиане.
Случай Sodankyla показывает, что
экспериментальные данные foF2 могут отсутствовать.
Совпадение foF2(rec) и foF2(obs),
когда foF2(obs) существует,
показывает, что foF2(rec) ближе к реальным
значениям, чем foF2(IRI). Это подчеркивает роль
τ(med) в определении условий распространения радиоволн. Эти
результаты получены в максимуме солнечной активности 23 цикла и одинаковы для
всех используемых станций.
С точки зрения статистики важно исследовать, повторяются ли эти результаты в максимуме 24 цикла. Для этого проведены расчеты для всех возмущенных периодов этого года. Отличием является более низкий уровень солнечной активности и большее число дополнительных станций. На рис. 3 дано изменение Dst-индекса в месяцы, когда были наибольшие возмущения 2013 года.
|
|
|
|
Рис. 3. Геофизическая обстановка
в марте, июле и декабре 2013 [4].
Видно, что сила возмущений намного меньше,
чем для случая 2001. Результаты
для трех станций Rostov, Moscow, Longyearbyen приведены на рис. 4-6.
В марте возмущение привело к положительным отклонениям и рассчитанные foF2(rec),
полученные из ТЕС(obs), наиболее соответствовали
экспериментальным значениям не только для среднеширотных станций, но и для
станции, расположенной в авроральной зоне.
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Сравнение рассчитанных в соответствии с различными опциями значений с экспериментальными данными в марте 2013.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5. Сравнение рассчитанных
в соответствии с различными опциями значений с экспериментальными данными в
июле 2013.
В начале июля в средних широтах видно
классическое развитие возмущения от положительной фазы к отрицательной в
отличие от авроральной зоны, где наблюдается отрицательное возмущение. Обе фазы
воспроизводятся значениями foF2(rec)
в отличие от foF2(IRI), которая является
постоянной, хотя и близкой к медиане. Для авроральной станции видны периоды
наличия отражений от слоя Es, экранирующего
вышележащий слой F2. В этом случае τ(med) позволяет восстановить
значение foF2. Результаты подтверждают выводы 2001 года.
IV. Выводы
Совместное использование глобальных карт TEC и эквивалентной толщины ионосферы τ(med) позволяет
количественно исследовать поведение foF2 во время возмущений и
получать соответствующее МПЧ для любой трассы.
Литература:
[1] Bilitza D. International
Reference Ionosphere // Radio Sci. 2001. V.36, N2, P. 261-275.
[2] Houminer Z., Soicher H.
Improved short –term predictions of foF2 using GPS time delay measurements.
Radio Sci. 31 (5), 1099-1108, 1996.
[3] Gulyaeva T.L.
International standard model of the Earth’s ionosphere. Astronomical and
Astrophysical Transactions, 2003, v. 22, N4-5, 639-643.
[4] http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html.