Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk State University
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk State University
Irkutsk, Russian Federation
Preliminary results of studying the spatial distribution of the total electron content (TEC) in the Arctic region of Russia are presented. The study is based on double frequency phase data obtained at four high-latitude GPS stations (LOVJ, Murmansk; NRIL, Norilsk; TIXI, Tiksi; BILB, Bilibino) on May 4–6, 2013 at 04:00–10:00 UT. On some receiver — GPS satellite rays northward of the stations, we have detected sharp TEC decreases or increases which argue for existence of a low electron density region (ionization trough) in the ionosphere. As found from the analysis of displacement of receiver– satellite rays, the ionization trough was located at latitudes of 72–84° N and longitudes of 0–200° E. The obtained results are consistent with numerical simulation data.
GPS, ionosphere, total electron content, high-latitude trough, Arctic region
ВВЕДЕНИЕ
Неоднородности ионосферы оказывают значительное влияние на распространение радиоволн. Для расчета параметров радиотрасс важен точный прогноз состояния ионосферы на пути прохождения радиосигналов. В связи с этим возникает потребность в изучении, мониторинге, прогнозе пространственной структуры и динамики ионосферы. Большой интерес вызывает высокоширотная область ионосферы, которая отличается сильной изменчивостью и наличием значительного числа неоднородностей электронной концентрации различных масштабов. Крупной неоднородностью в субавроральных широтах является главный ионосферный провал (ГИП). Эта характерная структурная особенность субавроральной ионосферы представляет собой вытянутую вдоль геомагнитной широты (в области примерно 50–70° N) впадину в глобальном распределении электронной концентрации [Тащилин, 2014]. В строении провала выделяют относительно пологую экваториальную стенку, дно (основание) провала и крутую полярную стенку. Еще одной особенностью приполярной ионосферы являются высокоширотные провалы (ВП) в электронной концентрации, которые могут наблюдаться как в дневное, так и в ночное время на широтах 60–75° N [Гальперин и др., 1990; Тащилин, 2014]. Областью локального уменьшения электронной концентрации является полярная полость (ПП), или полярная дыра. Эта область расположена на широтах 70–80° на ночной стороне. Она наблюдается во все сезоны как в Северном, так и в Южном полушарии. Величина электронной концентрации в ПП зависит от времени суток, сезона, уровня солнечной и геомагнитной активности.
Для исследования и мониторинга пространственного распределения полного электронного содержания (ПЭС) в высокоширотной ионосфере можно использовать глобальную навигационную спутниковую систему GPS, с помощью которой решаются многие задачи, связанные с изучением поведения ионосферной плазмы. В первых работах по зондированию арктической ионосферы с помощью сигналов GPS исследовался суточный ход ПЭС, а также связь поведения ПЭС с вариациями межпланетного магнитного поля и конвективными процессами [Klobuchar et al., 1985; Crain et al., 1993; Zarraoa, Sardon, 1996]. Много публикаций было посвящено изучению по данным GPS колебаний ПЭС, связанных с крупномасштабными ионосферными неоднородностями, которые возникают в авроральной зоне во время геомагнитных бурь [Jakowski et al., 2002, 2005; Афраймович, Перевалова, 2006; Shagimuratov et al., 2012; Ding et al., 2007; Perevalova et al., 2008]. В последние годы большое внимание уделяется исследованию мерцаний сигналов GPS, вызываемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями [Prikryl et al., 2010; Jiao et al., 2013; Spogli et al., 2013] и построению карт GPS ПЭС [Liu et al., 2010, Jakowski et al., 2012; Андреева и др., 2013]. В настоящей работе с помощью данных спутников GPS проведено изучение пространственного распределения ПЭС в Арктическом регионе РФ.
1. Afrajmovich E.L., Perevalova N.P. GPS-monitoring verkhnei atmosfery Zemli [GPS-Monitoring of the Earth´s Upper Atmosphere]. Irkutsk, SC RRS SB RAMS, 2006, 480 p. (in Russian).
2. Andreeva E.S., Kalashnikova S.A., Kunicyn V.E., Nesterov I.A. Study high-latitude ionosphere by UV spectrometry, global ionospheric maps of GIM and high-orbit radio tomography. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Modern Problems of Remote Probing Earth from Space]. 2013, vol. 10, no. 1. pp. 103-111. (in Russian).
3. Crain D.J., Sojka J.J., Schunk R.W., Doherty P.H., Klobucher J.A. A first-principle derivation of the high-latitude total electron content distribution. Radio Science. 1993, vol. 28, no. 1, pp. 49-61.
4. Ding F., Wan W., Ning B., Wang M. Large scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS TEC during the magnetic storm of October 29-30, 2003. J. Geophys. Res., 2007, vol. 112, A06309.
5. Dudeney J.R., Rodger A.S., Jarvis M.J. Radio studies of the main F region trough in Antarctica. Radio Sci. 1983, vol. 18, no. 6, pp. 927-936.
6. Galperin Ju.I., Sivtceva L.D., Filippov V.M. Khalipov V.L. Subavoral´naya verkhnyaya ionosfera [Subauroral Upper Ionosphere]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1990, 192 p. (in Russian).
7. Heppner J.P., Maynard N.C. Empirical high-latitude electric field models. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, no. A5, pp. 4467-4489.
8. Jakowski N., Beniguel Y., De Franceschi G., Pajares M.H., Jacobsen K.S., Stanislawska I., Tomasik L., Warnant R., Wautelet G. Monitoring, tracking and forecasting ionospheric perturbations using GNSS techniques. J. Space Weather Space Clim. 2012, vol. 2, A22.
9. Jakowski N., Stankov S.M., Klaehn D. Operational space weather service for GNSS precise positioning. Ann. Geophys. 2005, vol. 23, pp. 3071-3079.
10. Jakowski N., Wehrenpfennig A., Heise S. Total electron content behavior at high latitudes during geomagnetic storms. Proceedings of XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Maastricht, Netherlands, August 17-24 2002 (URSI GA 2002). 2002, paper no. 2176, URL: http://www.ursi.org/Proceedings/ProcGA02/papers/p2176.pdf. (accessed November 27, 2015).
11. Jiao Y., Morton Y.T., Taylor S., Pelgrum W. Characterization of high-latitude ionospheric scintillation of GPS signals. Radio Sci. 2013, vol. 48, no. 6, pp. 698-708.
12. Klobuchar J.A., Bishop G.J., Doherty P.H. Total Electron Content and L-Band Amplitude and Phase Scintillation Measurements in the Polar Cap Ionosphere. AGARD Electromagnetic Wave Panel Symposium, AGARD Conference Proceedings. 1985, no. 382, paper 2-2.
13. Krinberg I.A., Tashhilin A.V. Ionosfera i plazmosfera [Ionosphere and Plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984, 189 p. (in Russian).
14. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Andreeva E.S. Radiotomografiya ionosfery [Ionospheric Radiotomography]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2007, 336 p. (in Russian).
15. Liu J., Chen R., Kuusniemi H., Wang Z., Zhang H., Yang J. A preliminary study on mapping the regional ionospheric TEC using a Spherical Cap Harmonic Model in high latitudes and the Arctic region. Journal of Global Positioning Systems. 2010, vol. 9, no. 1, pp. 22-32.
16. Muldrew D.B. F-layer ionization trough deduced from Alouette data. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, no. 11, pp. 2635-2650.
17. Perevalova N.P., Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Zhivetiev I.V. Parameters of large scale TEC disturbances during strong magnetic storm on October 29, 2003. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00A13.
18. Prikryl P., Jayachandran P.T., Mushini S.C., Pokhotelov D., MacDougall J.W., Donovan E., Spanswick E., St. Maurice J.P. GPS TEC, scintillation and cycle slips observed at high latitudes during solar minimum. Ann. Geophys. 2010, vol. 28, pp. 1307-1316.
19. Shagimuratov I.I., Krankowski A., Ephishov I., Cherniak Yu., Wielgosz P., Zakharenkova I. High latitude TEC fluctuations and irregularity oval during geomagnetic storms. Earth Planets Space. 2012, vol. 64, pp. 521-529.
20. Spogli L., Alfonsi L., Cilliers P.J., Correia E., Franceschi G., Mitchell C.N., Romano V., Kinrade J., Cabrera M. A. GPS scintillations and total electron content climatology in the southern low, middle and high latitude regions. Ann. Geophys. 2013, vol. 56, no. 2, R0220.
21. Tashchilin A.V. Formirovanie krupnomasshtabnoi struktury ionosfery v spokoinykh i vozmushchennykh usloviyakh. Dokt. Diss. [The Formation of Large-Scale Structure of the Ionosphere in the Quiet and Disturbed Conditions]. Irkutsk, 2014, 265 p. (in Russian).
22. Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere. Proceeding of COSPAR Colloquia Series, 2002, vol. 14, pp. 315-325.
23. Tashchilin A.V., Romanova E.B. UT-control effects in the latitudinal structure of the ion composition of the topside ionosphere. J. Atmos. Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 12. pp. 1497-1502.
24. Weimer D.R. Models of high-latitude electric potentials derived with a least error fit of spherical harmonic coefficients. J. Geophys. Res. 1995, vol. 100, pp. 19595-19607.
25. Zarraoa N., Sardon E. Test of GPS for permanent ionospheric TEC monitoring at high latitudes. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, no. 1, pp. 11-19.
26. URL: http://sopac.ucsd.edu (accessed November 27, 2015).
27. URL: www.vt.superdarn.org(accessed November 27, 2015).
