birmaga.ru
добавить свой файл

1
Кища П. В., Терещенко Е. Д., Черняков С. М. Сопоставление интегрального содержания электронов, полученного методом радиопросвечивания, с моделью ионосферы СМИ-88. В сб.: Радиофизические исследования высокоширотной ионосферы, Апатиты, 1994, с. 41-55.


Kishcha P. V., Tereshchenko E. D., Chernyakov S. M. Comparison of integral electron content obtained by the radiosounding method with the ionosphere model SMI-88. In proc.: Radiophysical investigations of the highlatitude ionosphere, Apatity, 1994, pp. 41-55.

П. В. Кища, Е. Д. Терещенко, С. М.Черняков
СОПОСТАВЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЯ, С МОДЕЛЬЮ ИОНОСФЕРЫ СМИ-88
Одна из перспективных возможностей тестирования эмпирических моделей ионосферы и их коррекции основана на измерениях полного содержания электронов (ПЭС). Именно такой подход был успешно использован в /McNamara, 1985; Taipov and Troitsky, 1988/ для тестирования международной справочной модели IRI на низких и средних широтах. Сложная неоднородная структура полярной ионосферы "контролируется" инвариантными геомагнитными координатами. С ростом магнитной возмущенности происходит не только изменение электронной концентрации по величине, но и смещение на более южные широты основных крупномасштабных неоднородностей: главного ионосферного провала (ГИП) и экваториальной границы авроральной зоны. Следовательно, модель полярной ионосферы для обеспечения адекватности реальным условиям должна учитывать динамику среды.

Нами сделана попытка аналогичной проверки по данным о полном содержании электронов адекватности эмпирической модели СМИ-88 ионосфере высоких широт (Ф' > 45°), где она представлена моделью ААНИИ в области F и моделью ИЭМ в области Е. Приведено описание метода измерения ПЭС и результатов сопоставления измерений ПЭС с расчетами по модели СМИ-88. Учитывая незначительный объем имеющихся экспериментальных данных полученные результаты могут носить только качественный характер, т.к. для получения достоверных количественных оценок необходима предварительная статистическая обработка измерений ПЭС с последующим сопоставлением среднестатистических характеристик с модельными расчетами.
Общие сведения о ПЭС

Полное электронное содержание определяется как полное число электронов в столбе единичного сечения проходящего через ионосферу. Эта важная величина может быть записана прямо, непрерывно и автоматически, с высокой точностью и разрешением, при этом с относительно малой стоимостью. Первые исследования ПЭС проводились с начала 50-х годов для высот, меньших высоты максимума слоя F2. С появлением искусственных спутников Земли появилась возможность проводить регулярные измерения в необходимых временных промежутках и областях ионосферы.


Спутники, запущенные на геостационарную орбиту, осуществляя непрерывный мониторинг ионосферы практически над одной и той же точкой земной поверхности (приемным пунктом), позволяют получать временные вариации ПЭС. Низкоорбитальные спутники, такие как навигационные (1000 км высоты), достаточно быстро (в течение 10-20 минут) пролетают зону радиовидимости приемного пункта и, таким образом, дают замороженную пространственную картину распределения ПЭС. Наличие большого количества навигационных спутников позволяет получать также и временную картину развития ионосферных структур, поскольку в зоне радиовидимости приемного пункта практически всегда находится один из таких спутников.

Для определения ПЭС используют несколько методов: 1) доплеровского сдвига, 2) фарадеевского вращения, 3) групповой задержки, 4) углов возвышения или прихода. В данной работе используются измерения первым методом. Этот метод не требует создания специальных спутниковых систем, а использует действующие системы навигационных спутников, имеющих полярные орбиты и позволяет получать разрезы электронной концентрации близкие к меридиональным, а наличие на орбитах более 10 спутников дают возможность выполнять эти измерения не эпизодически, а систематически.
Определение ПЭС доплеровским методом.
Доплеровский метод основан на свойстве ионизированной среды влиять на фазу проходящего через нее радиосигнала. Для волны с частотой много большей критической частоты слоя F коэффициент преломления n можно записать в виде:

,

где N - электронная концентрация, f - частота волны, k - постоянная, а изменение фазы при прохождении сигнала от спутника до приемной точки как

,

где s - расстояние от приемной точки до спутника, (ds - элемент расстояния, с - скорость света. Отсюда видно, что волны с различной частотой имеют различные длины фазового пути. Рассматривая когерентные частоты f1 = mf0 и f2 = nf0, где m и n -целые числа, а f0 - частота опорного генератора, можно вычислить приведенную фазовую разность двух когерентных волн, прошедших через ионосферу от спутника до приемной точки. Волна с наибольшей частотой, на которую ионосфера оказывает наименьшее воздействие, может быть использована, с некоторой поправкой, как опорная, позволяющая осуществлять отсчет времени; волна или волны с меньшей частотой, подвергшиеся большему влиянию ионосферы - как предметные. В /Терещенко, 1987/ было показано, что с помощью двухканального когерентного приемника может быть с высокой точностью измерена разность фаз между когерентными частотами, определяющая изменение в ПЭС по мере перемещения навигационного спутника (m = 3, n = 8, f0 50 МГц):




или

,

где λ - длина волны меньшей частоты 150 МГц, re – классический радиус электрона, - полное содержание электронов, - фаза, получаемая при наблюдении пролета спутника; – неизвестная начальная фаза; С – постоянная, равная при приеме когерентных сигналов от навигационных ИСЗ 4.83·10-15 м2; - секанс угла между радиолучом и вертикалью на некоторой выбранной высоте h в ионосфере; I - ПЭС в вертикальном столбе единичного сечения, проходящего через место пересечения с выбранной высотой радиолуча со спутника до приемной точки. Эту точку пересечения называют «ионосферной точкой», а ПЭС в вертикальном столбе – вертикальным электронным содержанием (ВЭС).

Так как экспериментально можно измерить лишь изменения фазы относительно некоторой неизвестной постоянной, а не ее абсолютное значение, то для вычисления ПЭС необходима методика определения этой неизвестной константы.

Методом, позволяющим получать независимое измерение и в то же время являющимся мобильным, в силу относительной простоты установки, является использование доплеровских измерений, проводимых в двух или более точках.

Если станции разнесены вдоль проекции орбиты ИСЗ на землю, то луч зрения на спутник будет проходить через одну и ту же область ионосферы для различных приемных станций в разные моменты времени и под разными углами. Высота h, для которой определяется ВЭС, равна hm + 50 км. Авторы метода /Leitinger et al., 1975/ считают, что h = 400 км в наибольшей степени удовлетворяет исходному предположению. На рис. 1 показана общая схема расположения приемных станций 1 и 2, положение спутника S1 и S2 для станций 1 и 2, соответственно, положение общей ионосферной точки Р. Предполагается, что ВЭС в этой общей точке Р ионосферы для разных станций будет одинаково. В таком случае, для этой точки можно записать систему уравнений:


,

,

где индексы 1 и 2 относятся, соответственно, к первой и второй приемным станциям.

Рис. 1. Геометрия двухточечного метода:

1-2 – приемные станции: S1 и S2 – положения спутника на орбите для станций 1 и 2, соответственно
Как правило, i, в уравнениях, - это ряд последовательных экспериментальных значений фазы, снимаемых через временной интервал τ. Каждому значению можно присвоить номер i, начиная с единицы. Тогда можно для каждого значения i определить время съема:

ti = t0 + (i – 1)τ,

где t0 - начальный момент записи фазы. Зная оскулирующие элементы спутника можно рассчитать для каждого момента ti коэффициент Di и географические координаты ионосферной точки.

Решая систему, можно получить значения неизвестных постоянных первой и второй станций 01 и 02, соответственно. Используя метод наименьших квадратов для массивов данных на двух станциях, можно определить эти неизвестные постоянные, исходя из минимума следующего выражения:

,

где n - число общих точек в массиве экспериментальных данных.

Сравнение рассчитанных значений ВЭС с данными томографического восстановления ВЭС / Черняков и др., 1992/ и результатами наблюдений станции некогерентного рассеяния EISCAT /Chernyakov et al., 1993/ показали, что двухстанционный доплеровский метод может быть с успехом применен на высоких широтах. Это позволяет использовать экспериментальные данные ВЭС для тестирования ионосферных моделей.
Используемые измерения ПЭС.

Прием сигналов навигационных ИСЗ проводился в двух пунктах: пос.Верхнетуломский Мурманской области (68°3б' с.ш., 31°4б' в.д.) и Лехта (б4°26' с.ш., 33°58' в.д.) для случаев, когда спутник двигался с севера на юг и его траектория лежала вблизи линии геомагнитного меридиана. Запись сигнала производилась в зоне радиовидимости станции в течение периода устойчивого приема.


Для сопоставления были отобраны измерения ПЭС во все часы суток в субавроральной и авроральной зонах 17-21 марта и 26-28 ноября 1991 г., охватывая, таким образом, два характерных сезона: равноденствие и зиму (таблица). Уровень магнитной активности задавался К-индексом обсерватории Мурманск, приведенным в таблице, так как он лучше, чем планетарный Кр-индекс отражает возмущенность в данном регионе. Солнечная активность была высокой, поток F10.7 = 228 для марта и 168 для ноября, а число Вольфа соответственно 142 и 108. В таблице указано также московское время начала записи сигналов ИСЗ (сдвиг относительно мирового времени составлял в марте 3 час, а в ноябре 2 час); продолжительность каждой записи 10 минут.
Запись сигналов ИСЗ и уровень магнитной активности




п.п.

Дата


Время начала записи, мск

К




п.п.

Дата


Время начала записи, мск

К


1

17.03.91

20h41m00s

1

16

19.03.91

23h30m20s

6

2

17.03.91

21h56 m11s

6

17

20.03.91

04h52m50s


4

3

18.03.91

00h14m00s

6

18

20.03.91

15h31m00s

3

4

18.03.91

02h04m50s

6

19

21.03.91

00h00m00s

1

5

18.03.91

05h44m10s

5

20

26.11.91

16h05m52s

1

6

18.03.91

07h54m20s

4

21

26.11.91

17h44m00s

1

7

18.03.91

11h02m45s

2

22

26.11.91

19h40m13s

1

8


18.03.91

16h22m30s

1

23

26.11.91

23h24m37s

1

9

18.03.91

17h52m00s

1

24

27.11.91

02h55m17s

3

10

18.03.91

19h25m50s

0

25

27.11.91

05h10m02s

2

11

19.03.91

02h36m50s

0

26

27.11.91

09h51m00s

1

12

19.03.91

04h25m50s

0

27

27.11.91

16h37m15s

3

13

19.03.91

08h24m00s


1

28

27.11.91

20h10m40s

6

14

19.03.91

15h04m00s

4

29

28.11.91

01h38m51s

6

15

19.03.91

19h58m00s

3














Сопоставление ПЭС с моделью СМИ-88.
Величина интеграла электронной концентрации определяется параметрами максимума и полутолщиной области F2, а также слоев нижележащей ионизацией в слоях Е и D. Поэтому представляет интерес определить: отражает ли широтный ход ПЭС сложную неоднородную структуру полярной ионосферы? Это можно выяснить с помощью модельных расчетов пространственной картины двумерного распределения электронной концентрации и широтных ходов f0F2 и ПЭС.

Модельные расчеты профилей ne(h) проводились в 30 точках вдоль реального пролета спутника в заданном интервале широт для интервала высот от 40 до 1000 км. Двумерное распределение электронной концентрации строилось с помощью сплайн-интерполяции по высоте и параболической интерполяции по инвариантной широте.

Основные структуры: ГИП, авроральный овал, мощный авроральный слой Еа наиболее четко выражены в ночные часы зимой. Модель СМИ в полной мере воспроизводит эту ситуацию, что можно видеть из приведенных на рис. 2 примеров пространственного распределения электронной концентрации. Жирными линиями на рисунке отображен ход ВЭС. Так как в зоне ГИП регулярный слой Е слабо выражен, а в авроральной зоне область высыпаний близка по инвариантной широте соответствующей зоне в слое Е, то полное электронное содержание хорошо коррелирует с f0F2 и, следовательно, отражает основные особенности пространственного распределения электронной концентрации. Таким образом, измерения ПЭС в высоких широтах могут быть использованы как для тестирования соответствующих моделей ионосферы, так и их коррекции с целью адаптации к конкретным условиям.



Рис. 2. Широтное распределение электронной концентрации по модели СМИ-88:

тонкие линии – изолинии плазменных частот, жирная линия - ВЭС
Сопоставление ВЭС по модели и эксперименту предполагало получение оценок относительно их качественного соответствия, учитывая незначительный объем имеющихся экспериментальных данных. Результаты сопоставления получены для разных часов суток, уровней магнитной активности и сезонов:

1. Для послеполуночных часов 0-5h мск в зимний период четко выражен главный ионосферный провал практически при любой магнитной активности (рис. 2). Модельное полное содержание электронов хорошо коррелирует с f0F2 и соответствует измеренным ВЭС (рис. 3 а-г), подтверждая тем самым, что модель СМИ неплохо описывает положение ГИП (расхождение не превышает 3o) и распределение электронной концентрации в этой зоне: если исключить погрешность, связанную с положением ГИП, то отклонение измеренного ВЭС от модельного 30 %. В авроральной зоне имеют место некоторые различия в расчетных и измеренных величинах ВЭС, что, по-видимому, связано с тем, что реальная зона высыпаний, формирующая аномальную ионизацию в овале, не всегда совпадает со среднестатистической, заложенной в модель. В равноденствие при высокой магнитной активности (Кр 3) ситуация аналогичная: качественно широтные хода измеренного и расчетного ВЭС согласуются хорошо, расхождение в положении ГИП 1 - 20. Однако при низкой магнитной активности (Кр 0) имеет место отличие широтного хода расчетного от измеренного ВЭС (рис. 4): по модели ГИП слабо выражен и ВЭС практически не меняется с широтой, что не соответствует измерениям, различия в величине ВЭС могут превышать 100 %;


Рис. 3. Широтный ход измеренного (сплошная линия) и модельного ПЭС (пунктир):

а-г – 0-5h мск, д-э – 6-11h мск


Рис. 4. 19 марта 1991 г., 4h 25m мск:

а – широтное распределение электронной концентрации и ВЭС по модели СМИ-88; б – широтный ход модельных величин (сплошная линия) и ВЭС (пунктир); в – широтный ход измеренного (сплошная линия) и модельного ВЭС (пунктир)
2. В утренние часы 6-11h (а также и для имеющихся двух дневных измерений в марте) ионосфера по модели достаточно регулярная с главным градиентом в сторону более южных широт. Наблюдается качественное совпадение расчетных и измеренных широтных ходов ВЭС, с некоторым различием в величинах, что можно объяснить отличием конкретной обстановки от средних модельных условий (рис. 3 д-з);

3. Наиболее важные различия наблюдаются в вечерние часы 16-19h (рис. 5) при спокойном магнитном поле (К 0), измеренные величины ВЭС плавно спадают к северным широтам, в то время как модельные имеют небольшой максимум вблизи Ф 60-650. В то же время имеет место хорошая корреляция широтного хода расчетных величин f0F2 и экспериментального измеренного ВЭС (рис. 5б, в). Как следует из пространственного распределения ne(h), (рис. 5а), это связано, по-видимому, с неадекватным модельным представлением внешней ионосферы, т. к. полуширина внешней части слоя F2 также имеет локальный максимум на указанных широтах. Отметим, что для моделирования условий распространения радиоволн между двумя наземными пунктами некорректное описание внешней ионосферы не имеет принципиального значения, однако это важно для трансионосферного прохождения радиоволн. При высокой магнитной активности в равноденствие, а также для любой активности зимой наблюдается качественное совпадение широтных ходов расчетных и измеренных ВЭС.

Рис. 5. 18 марта 1991 г. 17h52m мск. Обозначения те же, что и на рис. 4.

4. В предполуночные часы (20-24h) при качественном совпадении расчетного и измеренного ВЭС имеется расхождение, связанное с несовпадением положения ГИП по модели и в конкретной ситуации, иногда с точностью до 50 по инвариантной широте (рис. 6а-д). Следует также отметить несоответствие расчетного и измеренного широтного хода ВЭС в равноденствие при К 1 (рис. 6е).

Рис. 6. Широтный ход измеренного (сплошная линия) и модельного ВЭС (пунктир) для 20-24h мск
Выводы
1. Полное электронное содержание вдоль меридионального разреза отражает основные морфологические особенности ионосферы высоких широт. Регулярные измерения ПЭС могут быть использованы для тестирования ионосферных моделей и в перспективе открывают возможность их оперативной коррекции с целью адаптации к конкретным условиям.

2. В целом модель СМИ-88 неплохо описывает качественные особенности широтного хода электронной концентрации зимой, а также в равноденствие при средней и высокой магнитной активности. В то же время в отдельных случаях модельное описание в равноденствие при низкой магнитной активности не адекватно эксперименту.

Для окончательных выводов и количественного сопоставления необходимо иметь более полный объем измерений ПЭС, позволяющий проводить статистический анализ.
Литература
Терещенко Е. Д. Радиоголографический метод исследования ионосферных неоднородностей, Апатиты, КФАН СССР, 1987, 100 с.

Черняков С. М., Терещенко Е. Д., Куницын В. Е., Брюнелли Б. Е. Полное электронное содержание в авроральной и субавроральной ионосфере по данным радиопросвечивания навигационных ИСЗ. Геомагнетизм и аэрономия, 1992, т.32, N4, с. 94-99.

Chernyakov S. M., Tereshchenko E. D., Brunelli B. E., Nygrén T. Comparison of ionospheric total electron content measured using the difference Doppler and incoherent scatter methods. Ann. Geophysics, 1993, 11, P.10-16.


Leitinger, R., Schmist G., and A. Tauriainen. An evaluation method combining the differential Doppler measurements from two stations that enables the calculation of the electron content in the ionosphere, J. Geophys., 41, 201 – 213, 1975.

McNamara, L. F. The use of total electron content measurements to validate empirical models of the ionosphere, Adv. Space Res., v.5, N7, pp.81-90, 1985.

Taipov D. Z., Troitsky B. V. A comparison of the variation in electron content data observed at Alma-Ata and IRI, Adv. Space Res., v.8, N4, pp.(4)229 – (4)230, 1988.