Local variations of the cross-field transversal anisotropy orientation and drift direction in the F-region of the mid-latitude ionosphere

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Высокочастотные радиосигналы, получаемые с низкоорбитального спутника наземным приемником, часто испытывают флуктуации, называемые также сцинтилляциями [1]. Такие флуктуации происходят потому, что радиосигнал рассеивается в F-области ионосферы анизотропными неоднородностями с масштабами от нескольких сотен метров до нескольких километров, называемых мелкомасштабными. Хотя флуктуации ограничивают связь со спутником, они полезны для изучения неоднородностей. В Полярном геофизическом институте (ПГИ) разработан метод приема радиосигнала и записи его квадратур, а также разработана методика математического анализа его фазы и амплитуды [2—4]. С использованием этого метода применительно к амплитудным флуктуациям в работе [5] была исследована форма анизотропных мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной ионосферы. Были численно определены: вытянутость неоднородностей вдоль геомагнитного поля (продольная анизотропия α) и вытянутость неоднородностей перпендикулярно геомагнитному полю (поперечная анизотропия β), при этом α > β > 1. Поскольку β > 1, такие неоднородности называются поперечно-анизотропными, а ориентация оси β относительно направления на географический север получила термин “ориентация поперечной анизотропии” и буквенное обозначение Ψ_А. Величина Ψ_А измеряется в градусах и отсчитывается от направления на географический север по часовой стрелке. В работе [5] было впервые показано, что ориентация поперечной анизотропии Ψ_А высокоширотных неоднородностей F-области близка к направлению дрейфа ионосферной плазмы по данным радара EISCAT, что подтвердилось в дальнейшем [6, 7] исследованиями ионосферы полярной шапки, где направление дрейфа определялось радарами SuperDARN.

Методом радиопросвечивания в ПГИ были исследованы параметры анизотропии мелкомасштабных неоднородностей в среднеширотной ионосфере. По данным цепочки станций Острогожск (50.87° с.ш., 39.06° в.д.) — Ростов-на-Дону (47.21° с.ш., 39.70° в.д.) — Сочи (43.58° с.ш., 39.77° в.д.) было установлено [8], что ориентация поперечной анизотропии Ψ_А находится в хорошем согласии с направлением горизонтального нейтрального ветра, рассчитанного моделью HWM07 [9, 10]. Поскольку в настоящее время стало возможным исследование среднеширотных мелкомасштабных неоднородностей путем привлечения экспериментальных данных о дрейфе с ионозонда DPS-4, установленного в ИЗМИРАН (г. Троицк, г. Москва), то актуальный научный интерес стали представлять данные радиопросвечивания, полученные в Москве. Радиосигналы ИСЗ системы “Парус” поступали на разработанный в ПГИ двухчастотный приемник, установленный в МГУ имени М. В. Ломоносова и входящий в состав радиотомографической установки ПГИ (РТУ ПГИ) [11]. Были обработаны амплитудные флуктуации сигналов ИСЗ за разные месяцы нескольких лет и проведено сопоставление ориентации поперечной анизотропии Ψ_А с направлением дрейфа среднемасштабных неоднородностей. Сопоставление показало, что различие между ними в большинстве случаев находится в интервале 10°—20° [12, 13]. Оценивая эту величину как малую, сделан вывод, что направление дрейфа среднемасштабных неоднородностей оказывает влияние на вытянутость мелкомасштабных неоднородностей перпендикулярно геомагнитному полю. В работе [13] также рассмотрен случай, когда в продолжение одного радиосеанса вдоль траектории спутника были обнаружены две локальные области с мелкомасштабными неоднородностями, в одной из которых величина Ψ_А имела одно значение, а во второй — другое, т.е. ориентация поперечной анизотропии изменялась вдоль спутниковой траектории. В графике дисперсии логарифма относительной амплитуды это проявилось в виде двух максимумов, разнесенных вдоль траектории спутника. В этой работе мы подробно рассмотрим примеры других аналогичных случаев — наличие в графике дисперсии двух или трех максимумов, различно удаленных друг от друга, и дадим им интерпретацию путем сопоставления с данными ионозонда DPS-4 о направлении дрейфа среднемасштабных неоднородностей.

НАБЛЮДЕНИЯ

Метод Терещенко и др. [2] изначально был разработан для исследования высокоширотных трехмерно-анизотропных неоднородностей. Базовые математические соотношения связывают дисперсию логарифма относительной амплитуды σ_χ² волны, рассеянной на трехмерно-анизотропных неоднородностях, с параметрами α, β и Ψ_А этих неоднородностей. В работе [13] наглядно показано, что базовые математические соотношения хорошо описывают экспериментальные данные среднеширотной ионосферы. Кратко остановимся на теоретических положениях, заложенных при выводе этих соотношений для высокоширотной ионосферы и справедливых для средних широт.

Расчет σ_χ² сделан в рамках приближения Рытова [14], применимого только к слабым флуктуациям, когда σ_χ² < 0.3. В среднеширотной ионосфере их уровень редко превышает данное значение. Расчет σ_χ² выполнен для степенного спектра неоднородностей электронной плотности с показателем спектра 0 < p < 4, определяемого по высокочастотной асимптоте амплитудного спектра экспериментальных данных. В расчетах спектра учтено, что при приеме волн от ИСЗ ультракороткого волнового диапазона радиус Френеля будет иметь величину, не превышающую 1 км, в то время как внешний масштаб неоднородностей оценивается в несколько десятков километров, т.е. отношение радиуса Френеля к внешнему масштабу является малым параметром. При расчете σ_χ² моделью пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей в слабо возмущенной ионосфере является протяженный статистически однородный слой с дисперсией флуктуации электронной плотности σ_N² = const.

Базовые математические соотношения наглядно представимы в следующем виде [15]:

${\sigma }_{\chi }^2~{\int }_{z_u}^{z_d}{\sigma }_N^2\left(z\right)f\left\{R_F\left(z\right),\Theta \left(z\right),\alpha ,\beta ,{\Psi }_A, p\right\}dz$, (1)

где z_u и z_d — нижняя и верхняя границы неоднородного слоя вдоль оси z в направлении от приемника к спутнику (в данной работе границами интегрирования являлись действующие высоты ионозонда DPS-4: от 210 км до 435 км); σ_N² — дисперсия флуктуации плотности; R_F — радиус Френеля; Θ(z) — угол между направлением “приемник — спутник” и магнитным полем; α, β и Ψ_А — параметры анизотропии; p — показатель степени.

Соотношение (1) показывает, что изменения дисперсии логарифма относительной амплитуды σ_χ² могут быть обусловлены тремя факторами:

1) пространственными изменениями параметров спектра неоднородностей α, β, Ψ_А, p;

2) пространственными изменениями дисперсии флуктуации электронной плотности σ_N²;

3) поведением самой функции f в зависимости от геометрических факторов R_F и Θ(z).

Эти три фактора могут действовать как по отдельности, так и в разных сочетаниях друг с другом. В простейшем случае, когда дисперсия флуктуации плотности σ_N² и параметры спектра неоднородностей α, β и Ψ_А, p не меняются в пространстве и во времени в ограниченном просвечиваемом объеме, тогда изменения дисперсии уровня амплитуды σ_χ² определяются только геометрическими изменениями функции f, зависящими главным образом от параметров анизотропии неоднородностей α, β и Ψ_А и взаимного расположения луча зрения и вектора магнитного поля — угла Θ. Изменения радиуса Френеля являются медленно меняющейся функцией, и влияние этих изменений на поведение σ_χ² незначительно. Угол Θ можно рассчитать на основе модели магнитного поля. Следовательно, рассчитывая значения Θ и подбирая теоретическую кривую, наилучшим образом согласующуюся с экспериментальной, можно определить параметры анизотропии мелкомасштабных неоднородностей α, β и Ψ_А.

В рамках предположения о равномерном распределении неоднородностей с постоянными параметрами анизотропии по всему протяженному F-слою экспериментальная кривая дисперсии логарифма относительной амплитуды σ_χ² в своем широтном профиле имеет единственный максимум вблизи локального геомагнитного зенита приемника. Если максимум в несколько раз превышает уровень фона, то он может быть аппроксимирован теоретической кривой — моделью анизотропных мелкомасштабных неоднородностей. Минимизация различия между обеими кривыми позволяет определить параметры анизотропии α, β и Ψ_А. Анализ показывает: при любой геометрии “спутник—приемник” теоретический широтный профиль имеет единственный максимум.

Кратко об отборе данных радиопросвечивания. Были обработаны все радиосеансы периода май 2009 — март 2012 г. Несмотря на продолжительность наблюдательного периода, количество случаев, позволяющих определить параметры анизотропии, сравнительно невелико. Величина Ψ_А была определена в 218 из 621 радиосеансов, записи которых в свою очередь содержали флуктуации радиосигнала. Общее же количество радиосеансов составляло 2019. Под общим количеством подразумеваются радиосеансы с максимальным значением угла места ИСЗ не ниже 75°, согласно требованиям к геометрии эксперимента, о которой будет сказано ниже. В общее количество также не входят радиосеансы, записи которых содержат аппаратурный шум, продолжительные потери радиосигнала или записи с низким отношением сигнал-шум. Таким образом, величину Ψ_А можно было определить в ~11% случаев от общего количества. Столь низкий процент обусловлен двумя факторами: во-первых, флуктуации в сигнале ИСЗ наблюдались, преимущественно, в ночное время суток. Во-вторых, даже при наличии флуктуаций их интенсивность не всегда была достаточной для того, чтобы высота максимума в графике дисперсии уровня амплитуды была выше уровня фона.

Возвращаясь к геометрии эксперимента. Максимальное значение угла места ИСЗ не ниже 75° выбрано в качестве пограничного значения, при котором минимальный угол между лучом зрения “приемник — спутник” и магнитным полем Θ_min не превышает 18—20°. Превышение означает, что траектория ИСЗ находится далеко от наблюдателя, из-за чего луч зрения “приемник — спутник” проходит больший путь в ионосфере, что может нарушить условие постоянства дисперсии флуктуации электронной плотности вдоль луча зрения, заложенное при выводе базовых математических соотношений. Исходя из геометрии эксперимента мы также отбраковали случаи, где при соблюдении условия Θ_min < 18°—20° максимум дисперсии уровня амплитуды находился далеко от локального геомагнитного зенита приемной станции. В этом случае луч зрения “приемник — спутник” также проходит больший путь в ионосфере.

Итоговое количество сеансов радиопросвечивания, для которых были одновременные данные по дрейфу, составило 68. Приступая к сопоставлению экспериментальных данных отметим, что во всех 68 случаях высота максимума дисперсии уровня амплитуды не превышала 0.3, чему способствовали преимущественно спокойные геомагнитные условия: Кр ≤ 3+ в 66 случаях, в двух других случаях Кр = 4 и Кр = 5+.

На рис. 1а и 1в приведены два примера аппроксимации одного максимума, в несколько раз превышающего уровень фона, в широтных профилях дисперсии логарифма относительной амплитуды σ_χ². В радиосеансе 15 января 2010 г. при Кр = 2+ (см. рис. 1а) флуктуации рассеянного на неоднородностях радиосигнала наблюдались между 54.3° с.ш. и 55.3° с.ш. В радиосеансе 4 марта 2012 г. при Кр = 2– (см. рис. 1в) неоднородности были обнаружены между 53.5° с.ш. и 55.1° с.ш. Согласно модели трехмерно-анизотропных неоднородностей при 2° < Θ_min < 20° ширина теоретического максимума определяется в основном вытянутостью неоднородностей вдоль α и перпендикулярно β к магнитному полю, а широтное положение максимума главным образом зависит от ориентации поперечной анизотропии Ψ_А. Параметры анизотропии α, β и Ψ_А, с которыми достигается наилучшая аппроксимация, приведены в левом верхнем углу каждого рисунка. Эти параметры считаются постоянными в широтно-долготной области, занимаемой максимумом. Пунктиром показан график значений углов между перемещающимся спутником и магнитным полем в точке наблюдения с указанием минимального (Θ_min) и максимального (Θ_max) значений. В работе [13] наглядно показано, что доверительный интервал величины Ψ_А составляет несколько градусов, если спутниковый пролет не является зенитным, т.е. Θ_min > 2°. В рассматриваемых спутниковых сеансах это выполняется, что позволяет численно сопоставить ориентацию поперечной анизотропии Ψ_А с одновременным направлением дрейфа среднемасштабных неоднородностей.

 

Рис. 1. Примеры определения параметров анизотропии только по одному изолированному максимуму при наличии дополнительных, высота которых близка к фоновому уровню: экспериментальный максимум в графике дисперсии логарифма относительной амплитуды (сплошная кривая) и его аппроксимация теоретической кривой (кружки) (а, в); взаимное расположение на карте неба ионосферных отражателей (серые точки) и ориентации поперечной анизотропии Ψ_A (эллипс) (б, г). Стрелки в центре рисунка — направление дрейфа, рассчитанное по отражателям всей карты неба (толстая стрелка) и по отражателям в локальной области (тонкая стрелка). Границы локальной области обозначены черным цветом

 

Результаты сопоставления приведены на рис. 1б и 1г. На карте всего неба положение области с мелкомасштабными неоднородностями показано эллипсом, большая ось которого соответствует ориентации поперечной анизотропии Ψ_А. Относительно карты всего неба область, занимаемая максимумом, мала, поэтому ее широтно-долготные размеры показаны условно, т.е. размеры осей эллипса не несут физического смысла. Локальная область с ионосферными отражателями выбрана таким образом, чтобы количество отражателей было одинаковым относительно центра области как в направлении “север — юг”, так и в направлении “запад — восток”.

Основными критериями выбора размеров локальной области с ионосферными отражателями являются наличие в ее пределах достаточного количества отражателей, желательно более 100. Обычно проводится расчет для некоторого числа вариантов, в небольших границах варьируются размеры области. Если при попытке увеличить размеры области (число учитываемых отражателей) начинает существенно меняться определяемое направление дрейфа, то это означает, что нарушается критерий постоянства параметров в исследуемой области, и надо остановиться. Также следует учитывать энергетику отражений и точность определения направления на отражатель. Обычно направление движения в разных вариантах расчетов отличались мало. Не имея возможности наглядно описать (в силу ограничения по рисункам) влияние изменения размера локальной области, где определялись направления дрейфа в каждом исследуемом случае, рассмотрим два, по сути, крайних случая (см. рис. 1а, 1б и 1в, 1г). Остальные случаи являются промежуточными между этими двумя.

На рис. 1а и 1б на карте неба наблюдается сильная неоднородность поля направления дрейфа в зависимости от полярных углов Θ и φ. При ограничении области углами места от Θ_min = 15° до Θ_max = 25° и азимутами от φ_min = 140° до φ_max = 170° в нее попадут 256 точек (отражателей), а направление дрейфа будет Ψ_Д = 97°. При расширении области от Θ_min = 15° до Θ_max = 40° и азимутами от φ_min = 120° до φ_max = 200° в нее попадут 772 точки, а направление дрейфа будет Ψ_Д = 108°. При увеличении области до Θ_min = 15°, Θ_max = 40° и φ_min = 100°, φ_max = 220° в нее попадут 959 точек, а направление дрейфа будет Ψ_Д = 128°. Как видим, направление дрейфа плавно и незначительно меняется, пока учитываются точки вокруг направления на спутник, и лишь при включении в расчет точек вблизи зенита направление резко меняется (на почти перпендикулярное): Ψ_Д = 38°.

Если взять рис. 1в и 1г, то здесь поле направлений дрейфа довольно однородно и при примерно таких же изменениях размеров области, как в предыдущем случае (вплоть до учета точек вблизи зенита), направление Ψ_Д меняется слабо — от 245° до 255°.

Таким образом, даже в неблагоприятных случаях, подобных показаннных рис. 1а и 1б, достаточно произвольный разумный выбор размера локальной области не может изменить вывод, лежат ли Ψ_А и Ψ_Д близко друг к другу.

Направление и скорость дрейфа, рассчитанные в локальной области программой LocalDrift [16], приведены в правом верхнем углу рисунка. В левом верхнем углу для сравнения приведено направление дрейфа, рассчитанное по отражателям всей карты неба программой DriftExplоrer, поставляемой с ионозондом DPS-4. Параметры дрейфа рассчитаны для действующих высот H на частотах f, значения которых приведены в левом нижнем углу рисунка. Стрелки в центре рисунка — направление дрейфа, рассчитанное по отражателям всей карты неба (толстая стрелка) и по отражателям в локальной области (тонкая стрелка). Видно, что направления дрейфа сильно различаются, что было ранее отмечено в [16], поэтому в целях данного исследования мы будем пользоваться программой LocalDrift. Сопоставление пространственно близких экспериментальных данных показало, что в обоих примерах различие ΔΨ между Ψ_А и Ψ_Д небольшое: в радиосеансе 15 января 2010 г. ΔΨ = –4°, в радиосеансе 4 марта 2012 г. ΔΨ = –5°. Можно заключить, что дрейф вытягивает мелкомасштабные неоднородности перпендикулярно магнитному полю. (Заметим: поскольку β — ось, то, при необходимости, к текущему значению Ψ_А можно прибавить 180°, положение теоретического максимума не изменится.)

Очевидно, что предположение о слое, заполненном неоднородностями одинаковой формы с равномерным распределением их внутри слоя, является упрощением и может быть принято в качестве разумного приближения для очень ограниченной области. Если в ионосфере вблизи зенита приемника присутствуют пространственные изменения параметров анизотропии неоднородностей α, β, Ψ_А или пространственные изменения дисперсии флуктуации плотности σ_N² (возможно, при одинаковых параметрах анизотропии), то в поведении дисперсии амплитуды спутникового радиосигнала можно ожидать наличие двух и более максимумов. Анализ амплитудных флуктуаций показал, что за один спутниковый сеанс, действительно, можно наблюдать несколько максимумов. Однако второй и другие максимумы, как правило, были намного меньше, чем основной, и их не принимали во внимание. Пример этого мы рассмотрели на рис. 1а и 1в. В графике дисперсии σ_χ² на рис. 1а справа от высокого максимума наблюдается другой максимум с границами между 54.7° с.ш. и 55.3° с.ш. Максимум имеет “изрезанную” форму и близок к фоновому уровню, поэтому его невозможно аппроксимировать. В графике дисперсии σ_χ² на рис. 1в справа и слева от высокого максимума наблюдаются два меньших максимума, но их также затруднительно аппроксимировать, поскольку они не являются изолированными. Очевидно, что в обоих примерах амплитудные флуктуации свидетельствуют о более сложной структуре ионосферных неоднородностей, чем ее описывает аппроксимация только одного максимума. В обоих примерах параметры анизотропии дополнительных маленьких максимумов могут быть недостоверными в случае аппроксимации. Поэтому объяснить каждый случай как единое целое можно только с привлечением дополнительных данных о дрейфе и/или данных о пространственном распределении флуктуаций плотности.

Забегая вперед, отметим, что пример 4 марта 2012 г. не является уникальным, ниже мы рассмотрим несколько аналогичных случаев. Рассмотрим подробнее пример 15 января 2010 г. Направление дрейфа 15 января 2010 г. в момент наблюдения мелкомасштабных неоднородностей в 21:22 UT было Ψ_Д = 108°, а до (в 21:03 UT) и после (в 21:33 UT) оно составляло соответственно Ψ_Д = 150° и Ψ_Д = 70°. Величина скорости при этом изменялась мало. При Ψ_А = 70° теоретический максимум охватывает интервал широт, занимаемый “изрезанным” экспериментальным максимумом, т.е. при большей величине этого максимума его аппроксимация была бы возможна и сопоставление с направлением дрейфа показало бы сходство величин Ψ_А и Ψ_Д. Можно предположить, что в данном спутниковом сеансе зафиксировано начало изменения ориентации поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей.

Анализ данных радиопросвечивания за период с мая 2009 г. по март 2012 г. показал, что в графике дисперсии логарифма относительной амплитуды σ_χ² кроме единственного максимума также наблюдаются два или три изолированных максимума выше уровня фона в несколько раз. Мы сопоставим одновременные данные радиопросвечивания и радиолокации для понимания влияния предположительно неоднородного дрейфа вблизи геомагнитного зенита приемника на ориентацию поперечной анизотропии. Мы также оценим, может ли информация о наличии нескольких максимумов в широтном профиле быть использована для дополнения данных ионозонда о направлении дрейфа. При определении параметров анизотропии α, β и Ψ_А мы следуем предположению о равномерном распределении неоднородностей с постоянными параметрами в области, занимаемой максимумом. Дополнительные максимумы возникают либо вследствие пространственного изменения параметров анизотропии неоднородностей, либо вследствие пространственного изменения дисперсии флуктуации плотности. Оба эти фактора могут иметь место и одновременно. Каждый максимум будет аппроксимирован индивидуальной теоретической кривой. Представленные ниже примеры убедительно свидетельствуют о том, что в случае с несколькими максимумами в графике дисперсии σ_χ² метод Терещенко и др. [2] дает результаты, согласующиеся с результатами, полученными для графиков дисперсии σ_χ² с единственным максимумом, подразумевающими оправданность исходного допущения.

За наблюдательный период было изучено 68 случаев одновременных данных радиолокации и радиопросвечивания, из которых 58 случаев — с одним максимумом в графике дисперсии σ_χ². Случаев с двумя и тремя максимумами было 10, хотя могло быть больше при достаточной высоте дополнительных максимумов, как показано в примерах на рис. 1а и 1в.

На рис. 2а и 2в приведены два примера аппроксимации трех максимумов, каждый из которых в несколько раз превышает уровень фона. В примере радиосеанса 16 июля 2009 г. при Кр = 1– (см. рис. 2а) параметры α и β одинаковы для всех максимумов, их соотношение 5 : 1, означающее, что вдоль траектории нисходящего ИСЗ (с севера на юг) у неоднородностей изменялась только ориентация поперечной анизотропии: Ψ_А1 = 98°, Ψ_А2 = 58° и Ψ_А3 = 50°. Траектория нисходящего ИСЗ системы “Парус” близка к меридиональной, поэтому расстояние между вершинами максимумов вдоль траектории соответствует расстоянию по координатной сетке. Один максимум находится на удалении от двух совмещенных, поэтому направление дрейфа было рассчитано в разных локальных областях ионосферы (рис. 2б): Ψ_Д1 = 110° и Ψ_Д2 = 56°. Размеры локальных областей дрейфа здесь и далее определялись по принципу, описанному выше. Сопоставление показывает, что различие между Ψ_А и Ψ_Д небольшое: ΔΨ₁ = –12°, ΔΨ₂ = 2° и ΔΨ₃ = –6°, что можно объяснить большими скоростями дрейфа. На широте 54.5° есть дополнительный незначительный максимум с высотой ~ 0.006 и по этой причине ориентация анизотропии не может быть определена. В примере радиосеанса 30 сентября 2011 г. при Кр = 3 (см. рис. 2в) параметры α, β и Ψ_А разные для всех максимумов, означающие, что вдоль траектории ИСЗ у неоднородностей изменялась как форма (т.е. α и β), так и ориентация поперечной анизотропии: Ψ_А1 = 29°, Ψ_А2 = 81° и Ψ_А3 = 114°. Заметим, что соотношение α : β для всех максимумов сохраняется, составляя 5 : 1. Расчет дрейфа (рис. 2г) в локальной области показал, что его направление везде постоянно Ψ_Д = 70° и соответствует направлению, рассчитанному по всей карте неба Ψ_Д = 68°, поэтому на рисунке эти векторы совпадают. Сопоставление показало, что различие между Ψ_А и Ψ_Д небольшое только для центрального максимума: ΔΨ₁ = –41°, ΔΨ₂ = 11° и ΔΨ₃ = 44°. Анализ широтного профиля дисперсии σ_χ² может частично устранить противоречие между экспериментальными данными. Во-первых, максимум с вершиной на широте 54.2° находится на периферии карты неба с малым количеством точек отражения. Это могло привести к увеличению ошибки при расчете дрейфа, поскольку расчет тем точнее, чем больше ионосферных отражателей принято во внимание. Во-вторых, два других максимума можно формально аппроксимировать единой теоретической кривой, предварительно усреднив экспериментальную кривую дисперсии σ_χ² так, чтобы два совместных максимума слились в один. Новое значение Ψ_А тогда составит Ψ_А = 98°, уменьшая отличие от направления дрейфа до величины ΔΨ = 28°. Однако для усреднения пришлось бы использовать больший временной интервал (16 с) вместо обычного (8—12 с) и сама процедура аппроксимации подразумевает постоянство параметров в области, ограниченной максимумом, а в данном случае форма кривой дисперсии σ_χ² свидетельствует об обратном. Возможно, большие величины ΔΨ связаны с положением мелкомасштабных неоднородностей выше максимума F-слоя, где направление дрейфа не может быть определено ионозондом в силу его технических ограничений. Это предположение мы планируем исследовать в будущем с привлечением дополнительных данных.

 

Рис. 2. Примеры определения параметров анизотропии по трем максимумам (а, в) и взаимное расположение на карте неба ионосферных отражателей и Ψ_A в трех областях наблюдения мелкомасштабных неоднородностей (б, г). Условные обозначения те же, что на рис. 1

 

На рис. 3а приведен пример аппроксимации двух максимумов, а на рис. 3б показано их сопоставление с дрейфом 24 октября 2009 г. при Кр = 3–. Этот случай показывает, что не всегда ориентация поперечной анизотропии соответствовала направлению дрейфа. Расчет дрейфа в локальной области показал, что его направление меняется слабо в разных участках этой области при расчетах дрейфа для каждого максимума. Величина скорости дрейфа сохраняется большой, также велико количество ионосферных отражателей, что позволяет доверять полученному результату. Однако несмотря на имеющееся согласие с дрейфом для меньшего максимума (ΔΨ₁ = 16°) наблюдается полная противоположность дрейфу (ΔΨ₂ = –78°) для большего максимума. Этот случай мы планируем исследовать в будущем.

 

Рис. 3. Пример определения параметров анизотропии по двум максимумам (а) и взаимное расположение на карте неба ионосферных отражателей и Ψ_A в двух областях наблюдения мелкомасштабных неоднородностей (б). Условные обозначения те же, что на рис. 1

 

После того как была достигнута уверенность в том, что наблюдаемые два или три максимума в широтном профиле дисперсии σ_χ² отражают изменение направления дрейфа среднемасштабных неоднородностей в F-области, различия ΔΨ были систематизированы за весь период наблюдений. Результат приведен на рис. 4. Общее количество максимумов дисперсии уровня амплитуды, сопоставленных с данными по дрейфу, составило 80. Это количество состоит из 58 случаев с одним максимумом, 8 случаев с двумя максимумами и 2 случаев с тремя максимумами. Гистограмма показывает различие ΔΨ между ориентацией поперечной анизотропии Ψ_А и направлением дрейфа Ψ_Д в каждом конкретном случае. Значения ΔΨ сгруппированы по интервалам с шагом 10°. Ось абсцисс — величина ΔΨ, ось ординат — количество случаев, значения ΔΨ которых находятся в данном интервале. Положительные значения гистограммы показывают, что величина Ψ_А больше величины Ψ_Д. Отрицательные значения показывают обратное. Очевидно, что для наибольшего числа событий величина ΔΨ имеет значения, не превышающие 20°. Единая гистограмма для всех случаев сопоставления экспериментальных данных сделана не только с целью показать их сходство в большинстве случаев, но и наглядно систематизировать случаи большого различия между данными с целью проанализировать их в будущем. Например, исследовать влияние ветра, как это было сделано в [17].

 

Рис. 4. Гистограмма различий между ориентацией поперечной анизотропии Ψ_A и направлением дрейфа Ψ_Д для 80 случаев сопоставления этих экспериментальных данных

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом радиопросвечивания исследована ориентация поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей в F-области среднеширотной ионосферы в период с мая 2009 г. по март 2012 г. Обнаружено, что за один радиосеанс в широтном профиле дисперсии логарифма относительной амплитуды радиосигнала ИСЗ, принятого станцией “Москва”, можно наблюдать как единичный максимум, так и два или три максимума. Следовательно, за один радиосеанс было определено как единичное значение ориентации поперечной анизотропии, так и два или три в различных участках ионосферы (вдоль траектории ИСЗ), занимаемых максимумами. Детальный анализ направления дрейфа среднемасштабных неоднородностей показал, что максимумы дисперсии расположены в областях с различным направлением дрейфа. Скорость и направление дрейфа рассчитывались программой LocalDrift по данным ионозонда DPS-4. В результате 80 численных сопоставлений между ориентацией поперечной анизотропии и направлением дрейфа было обнаружено, что различие между ними невелико, в основном в пределах [–20—+20°]. Сопоставление проводилось в преимущественно спокойных геомагнитных условиях (Кр ≤ 3+). Наблюдаемое сходство между экспериментальными данными позволяет заключить, что дрейф в F-области среднеширотной ионосферы оказывает влияние на поперечную анизотропию мелкомасштабных неоднородностей.

Исследование Г. А. Жбанкова проводилось при финансовой поддержке от Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание ГЗ0110/23-10-ИФ).

About the authors

N. Yu. Romanova

Polar Geophysical Institute

Author for correspondence.
Email: romanova@pgi.ru
Russian Federation, Murmansk

V. A. Telegin

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: romanova@pgi.ru
Russian Federation, Moscow

V. A. Panchenko

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: romanova@pgi.ru
Russian Federation, Moscow

G. A. Zhbankov

Southern Federal University

Email: romanova@pgi.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don

References

Supplementary files