Сравнение пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС и модельного аврорального овала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС и модельного аврорального овала

Ведение

Настоящая работа связана с решением задачи прогноза появления мелкомасштабных неоднородностей в полярной ионосфере, возникающих одновременно с появлением дискретных форм полярных сияний[1 -3]. Наличие пространственно-временного соответствия оптических полярных сияний и возмущений полярной ионосферы, влияющих на распространение сигналов навигационных спутников (ГНСС) может позволить такой прогноз осуществить. Действительно, если мы обеспечим надежный прогноз пространственно-временного распределения полярных сияний, то на основании количественных зависимостей распределения неоднородностей полного электронного содержания в ионосфере и распределения полярных сияний мы получим и прогноз появления неоднородностей, влияющих на распространение высокочастотных навигационных сигналов. Известно, что для регистрации локальных оптических полярных сияний может применяться сеть наземных камер полного обзора неба, имеющих ограниченное по сравнению с спутниковыми методами поле зрения, однако их достоинство заключается в высоком пространственным и временном разрешении конкретных авроральных событий, по которым можно установить физические механизмы развития неоднородностей ПЭС. Так как нам требуются не только и не столько наблюдения в реальном времени, а прогноз, то мы призываем обратить внимание на существующие модели аврорального овала, которые на настоящем этапе развития полярной геофизики позволяют состояние оптического овала прогнозировать. Зная соответствие между овалом полярных сияний и овалом неоднородностей ПЭС, мы сможем прогнозировать и условия распространения трансионосферных сигналов.

1.Овал полярных сияний

Выдающееся открытие местоположения полярных над поверхностью Земли в любой момент времени. было сделано по данным сети непрерывно работающих оптических камер С-180 с обзором 180є в период Международного геофизического года (1957 - 1958) советскими учеными Оно позволило связать различные физические явления в земных оболочках - магнитосфере и ионосфере с наблюдаемыми на земной поверхности явлениями. Cоветские ученые О.Хорощева, Я.Фельдштейн и Г.Старков доказали асимметрию этого кольца, положение которого определялось не географическим, а магнитным полюсом, установили его непрерывность, и нашли возможность его математического представления [4-6].

Оказалось, что овал «дышит», он смещается к экватору при большой солнечной активности, а ширина его значительно увеличивается. Удачным оказалось и само слово «овал», ясно выражающее реальную геометрию мгновенного положения кольца сияний. Это одно из самых значимых открытий в физике ближнего космоса, оно вошло в историю геофизики, как авроральный овал Фельдштейна. И когда ученым из первых измерений геомагнитного поля на спутниках стало известно, что магнитосфера Земли тоже несимметрична, стало понятно, что, определяя границы, ширину, асимметрию и другие параметры овала, можно узнать о явлениях, происходящих в ближнем космосе, то есть проводить диагностику околоземного космического пространства. Множество работ в области геокосмических исследований стали обязательно включать в себя (и до сих пор включают) сравнение новых данных с характеристиками овала, и овал является практически естественной системой координат в космической геофизике. В настоящее время появились сомнения в современности парадигмы аврорального овала, высказанные на основании ошибочного мнения утверждающего, что понятие аврорального овала объединяет все типы активных полярных сияний [7]. Действительно, с точки зрения исследователя магнитосферных механизмов формирования различных форм сияний, использование концепции овала ограничено. Однако, это гораздо в меньшей степени касается процессов в ионосфере. На самом деле, модель овала и его математическое описание были построены исключительно для дискретных форм сияний [8] что делает его полезным для диагностики влияния полярной ионосферы на распространение навигационных сигналов GPS и ГЛОНАСС в Арктике. Именно с дискретными формами сияний в период авроральной суббури связаны вариации и неоднородности полного электронного содержания (ПЭС), определяющие распространение трансионосферных сигналов навигационных спутников [9-10]. Таким образом, кроме традиционного значения овала, используемого много лет, он получает новую жизнь в радиофизических полярных исследованиях.

2.Модель краткосрочного прогноза NORUSCA

В 1997 году в лаборатории Военно-Воздушных сил США был построен виртуальный пятнадцатиминутный Kp индекс WING, который определялся на основании полученных зависимостей Кр от параметров солнечного ветра [11]. Реализована эта зависимость с помощью измерений на спутнике ACE, находящемся в точке либрации между Землей и Солнцем на расстоянии около одного миллиона километров от Земли. То есть, можно прогнозировать полярные сияния в зависимости от виртуального Кр, определяемого по параметрам солнечного ветра. Таким образом, двумя ключевыми позициями прогноза являются 1)зависимость положения овала сияний от Кр и ее описание в работе Г.В.Старкова [12,13] 2)зависимость виртуального Кр от параметров солнечного ветра (индекс WING).

Зная индекс WING (виртуальный Кр) можно построить овал сияний заблаговременно от 1 до 2 часов в зависимости от скорости движения заряженных частиц от Солнца. Модель прогноза NORUSCA была реализована в рамках Норвежско-Российского проекта [14] на базе данных ПГИ с участием ученых Геофизического института на Аляске и размещена в Интернете на сайте Университета на Свальбарде (Шпицберген) http://kho.unis.no

3.Положения неоднородностей TEC и полярных сияний аврорального овала в условиях различной гелиогеофизической активности

При помощи программного обеспечения, разработанного для прогноза обнаружения сияний аврорального овала были построены профили овалов полярных сияний и совмещены с профилями неоднородностей для 4-х станций (AB18 66.71N 162.61W, TIXI 71.38N 128.52E, KIR0 67.51N 21.03E, NNVN 61.47N 44.90W) (рисунок 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Пространственные распределения сияний и неоднородностей ПЭС (ROTI) для спокойного уровня 06.01.2015 и возмущенного 07.01.2015. Интенсивность ROTI обозначена отрезками разного цвета согласно шкале справа от изображения овалов.

На рисунке 1 представлены пространственные распределения сияний и неоднородностей ПЭС для спокойного уровня 06.01.2015 и возмущенного 07.01.2015. Очевидно, что при различной возмущенности картины распределений могут значительно отличаться.

Сразу отметим важную особенность при сравнении пространственных распределений сияний и неоднородностей ПЭС в период магнитной бури 07.01.2015. И те, и другие распределения имеют овальную форму с максимальной шириной и интенсивностью в полуночные часы местного времени. Причем, именно на тех станциях, которые расположены вблизи полуночи, наблюдается хорошее подобие фигур этих распределений. Это говорит о том, что основными формами сияний, претендующими на роль индикатора областей ионосферы, нарушающих нормальное распространение радиоволн, являются дискретные дуги и полосы сиянии, обычно располагающиеся в ночном секторе. Как видно из рисунка 1 на станциях AB18 и TIXI наблюдается совпадение овалов сияний и неоднородностей. Это соответствует ночному времени суток. Однако на станциях KIR0 и NNVN овалы не совпадают. Это может быть связано как с географическим положением станций, так и с распределением сияний по высоте. Действительно, лучи дуг полярных сияний могут начинаться на высоте около 110 км и заканчиваться на высотах 300-500 км, а их направление соответствует направлению силовых линий магнитного поля Земли. Трасса навигационный спутник - навигационный приемник может пересекать лучистую дугу полярного сияния на любой высоте. Поэтому совпадение авроральных овалов и овалов неоднородностей TEC отнюдь не является необходимым, важно, что и то, и другое распределение имеет овальную структуру. Взаимное положение овалов полярных сияний и неоднородностей в ионосфере и позволит нам оценивать и прогнозировать появление этих неоднородностей по данным о полярных сияниях, хотя для этого придется решать трехмерную задачу. С авроральными возмущениями в проведенных измерениях неоднократно ассоциировались интенсивные фазовые флуктуации на разнесенных станциях в авроральных и субавроральных широтах [12-16]. В качестве следующего примера представлены данные по пространственно-временному распределению фазовых флуктуаций GPS сигналов, обусловленных ионосферными неоднородностями во время геомагнитной бури 2 октября 2013г. с представлением одновременных овалов полярных сияний согласно [8,10][7-11]

Рис.2 Пространственные распределения интенсивности сияний и неоднородностей ПЭС для спокойного уровня 01.10 2013, 3.10.2013 и Возмущенного 2.10.2013. Интенсивность ROTI обозначена отрезками разного цвета согласно шкале справа от изображения овалов.

В этом случае, как и в предыдущем, также обнаруживается овальная структура пространственно-временного распределения, как полярных сияний, так и неоднородностей в ионосфере. Очевидно, что в возмущенный день 2 октября 2013 г. овалы сближены между собой , в то время , как в спокойные дни 1 и 3 октября они значительно расходятся.

Заключение

Сравнение пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС и модельного аврорального овала продемонстрировало возможность прогноза нарушений распространения ГНСС сигналов высокоорбитальных спутников в Арктике во время развития дискретных форм полярных сияний.

Литература

авроральный овал трансионосферный сигнал

1. Черноус С.А., Швец М.В., Филатов М.В. Шагимуратов И.И., Калитёнков А.Н. Исследования особенностей навигационных сигналов в период авроральных возмущений.// Химическая физика том34, №10, с. 33-39 2015.

2. Филатов М.В., Швец М.В., Черноус С.А. Особенности приема навигационных сигналов на Шпицбергене в условиях развития полярных сияний.// Труды Кольского научного центра. Гелиогеофизика, 2016, №2, C.84-90.

3. J. Aarons, GPS system phase fluctuations at auroral latitudes,// Journal of Geophysical Research, 102, A8, 1997, pp. 17219-17231

4. Хорошева О.В. Пространственно-временное распреде-ление полярных сияний.// М.: Наука, 1967 . 82 с.

5. Исаев С.И. Морфология полярных сияний.// Л.: Наука,1968. 167

6. Feldstein Ya.I., Starkov G.V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances. //Planet. Space Sci. 1967 vol. 15, no. 2, pp. 209-230.

7. Л.Л. Лазутин овал полярных сияний -- Прекрасная, но устаревшая парадигма// солнечно-земная физика, 2015. т. 1, № 1, с.23 -35.

8. Филатов М.В., Швец М.В., Пильгаев С.В., Ларченко А.В., Черноус С.А. Полярные сияния как индикатор устойчивости сигнала GPS-приемника // Труды Кольского научного центра. Гелиогеофизика, 2015, №1, С.93-100.

9. Chernouss S.A., Shagimuratov I.I., Ievenko I.B., Filatov M.V., Efishov I.I., Shvets M.V., Kalitenkov N.V. Aurora as Indicator of the Ionospheric Impact on TransIonospheric Navigation Signals. // Proceedings of V Intern. Conf. “Atmosphere, Ionosphere, Safety” (AIS-2016), Kaliningrad, Russia, 2016, pp. 185--191

10. Черноус С.А., Шагимуратов И.И., Калитенков Н.В. Оценка состояния приема навигационных сигналов GPS/ГЛОНАСС в Арктике с помощью регистрации полярных сияний. // Всероссийская научно-практическая конференция «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Арктика - регион стратегических интересов: правовая политика и современные технологии обеспечения безопасности в арктическом регионе». 29.09.2016

11. Costello, K. A., Moving the Rice MSFM into a RealTime Forecast Mode Using Solar Wind Driven Forecast Models, Ph.D. dissertation, Rice University, Houston, TX, June 1997.

12. Starkov, G. V., Mathematical model of the auroral boundaries,// Geomagnetism and Aeronomy, 34, 3, 331336, 1994.

13. Starkov, G. V., Statistical dependences between the magnetic activity indices,// Geomagnetism and Aeronomy, 34, 1, 101103, 1994.

14. F. Sigernes, M. Dyrland, P. Brekke, E. K. Gjengedal, S. Chernouss, D.A. Lorentzen, K. Oksavik and C. S. Deehr REAL TIME AURORA OVAL FORECASTING - SVALTRACK I

15. I.I. Shagimuratov, S.A.Chernouss, I.I. Efishov, M.V.Filatov, N.Y.Tepenitsyna, G.A. Yakimova, E.M. Koltunenko, M.V. Shvec. Occurrence of GPS signals phase fluctuations during auroral activity.// “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XXXVIII Annual Seminar, Apatity, PGI Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2015, pp. 107-110.

16. Черноус С.А., Шагимуратов И.И., Ефишов И.И., Тепеницина Н.Ю., Черняк Ю.В. Флуктуации фазы GPS сигналов во геомагнитной бури 1 октября 2013 года. Труды XX Региональной конференции по распространению радиоволн. СПб ГУ 18 - 20 ноября 2014 г. с. 84-87.

Размещено на Allbest.ru