Irkutsk, Russian Federation
Characteristic U-shaped traces cusps on ionograms have been identified as off-angle echoes from sloping electron density contours caused by the presence of traveling ionospheric disturbances (TIDs). Dynamics of the cusps is associated with horizontal drift of the disturbances. A potential for reducing calculation time in numerical synthesis of vertical ionograms is under discussion. Since numerical ray tracing is expensive in terms of computer time, we have developed simplified formulation for this study. The suggested model of compound parabolic layer allows us to analytically calculate ray paths. Changes in the shape of the ionogram cusp caused by varying TID characteristics are examined.
Ionosphere, vertical sounding, ionogram
ВВЕДЕНИЕ
На ионограммах вертикального и слабонаклонного зондирования можно часто наблюдать дополнительный трек (cusp), называемый серпом и свидетельствующий о наличии перемещающегося ионосферного возмущения (ПИВ) (рис. 1).
Обычно серп перемещается в сторону меньших частот и меньших групповых задержек (вниз и влево вдоль трека ионограммы), трансформируясь со временем в перегиб основного трека ионограммы [Данилкин и др., 1987; Крашенинников, Лянной, 1991]. Еще в середине прошлого века было установлено [Munro, Heisler, 1956], что появление серпообразных особенностей на ионограммах связано с прохождением ПИВ, которые приводят к образованию горизонтальных градиентов электронной концентрации ионосферы и, соответственно, к боковым отражениям лучей при радиозондировании.
Аналогичным образом боковые отражения приводят к формированию так называемых межмодовых треков на ионограмме (рис. 2). Они, подобно серпам, перемещаются по ионограмме, смещаясь со временем вверх между практически неподвижными вторым и третьим «кратниками» (треками двукратного и трехкратного отражения, рис. 2, а–в). Для объяснения данного эффекта в работе [Lynn et al., 2013] используется модель наклонной отражающей структуры (tilted ionospheric reflector), которая схематически показана дугой окружности на рис. 2, г. Данная структура приводит к переотражению от земной поверхности. Движение данной структуры в пространстве приводит к смещению межмодового трека на ионограмме.
Для численного моделирования в данной работе используется метод геометрической оптики (ГО) без учета магнитного поля Земли. В основу метода положено предположение о незначительности изменения показателя преломления на расстоянии одной длины волны. Данное допущение в ионосфере, как правило, выполняется. Метод ГО оперирует траекториями лучей, вдоль которых происходит распространение потоков энергии. Для построения траектории проводится интегрирование системы лучевых уравнений (см. далее). При этом возникающая особенность в точке отражения волны оказывается интегрируемой.
Траекторный синтез показывает [Ларюнин и др., 2014], что при моделировании серпообразных особенностей различные модели ПИВ могут давать хорошее соответствие экспериментальным ионограммам. Фактически, различия между способами задания горизонтального градиента не имеют критического характера и выбор обычно сводится к вопросу удобства работы с конкретной моделью. Так, адекватными, в частности, представляются следующие модели.
1. Danilkin N.P., Lukin D.S., Stasevich V.I. Trajectory synthesis of ionograms in the presence of artificial ionospheric inhomogeneities. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1987, vol. 27, pp. 217-224. (In Russian).
2. Eremenko V.A., Krasheninnikov I.V., Cherkashin Yu.N. Specific behaviour of the radioemission wave field near the maximum usable frequency. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2007, vol. 47, no. 3, pp. 407-412. (In Russian).
3. Krasheninnikov I.V., Lyannoi B.E. On the interpretation of one type of traveling ionospheric disturbance using vertical incidence ionograms. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1991, vol. 31, no. 3, pp. 427-433. (In Russian).
4. Kravtsov Yu.A., Orlov Yu.I. Geometrical Optics of Inhomogeneous Media. Springer-Verlag Publ., 1990, 312 p.
5. Laryunin O.A., Kurkin V.I., Podlesnyi A.V. Using two closely-spaced ionosondes in diagnostics of traveling ionospheric disturbances. Electromagnitnye volny i electronnye sistemy [Electromagnetic Waves and Electronic Systems]. 2014, vol. 19, no. 1, pp. 10-17. (In Russian).
6. Lynn K.J.W., Otsuka Y., Shiokawa K. Ionogram-based range-time displays for observing relationships between ionosonde satellite traces, spread F and drifting optical plasma depletions. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2013, vol. 98. pp. 105-112.
7. Munro G.H., Heisler L.H. Cusp type anomalies in variable frequency ionospheric records. Australian J. Phys. 1956, vol. 9, pp. 343-357.
