Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Представлены предварительные результаты исследования пространственного распределения полного электронного содержания (ПЭС) в Арктическом регионе России. Исследование выполнено по данным двухчастотных фазовых измерений, полученным в период 04:00–10:00 UT 4–6 мая 2013 г. на четырех высокоширотных станциях GPS: LOVJ (Мурманск), NRIL (Норильск), TIXI (Тикси), BILB (Билибино). На некоторых лучах приемник — спутник GPS, проходящих к северу от станций, обнаружены резкие падения или возрастания ПЭС, которые свидетельствуют о существовании в ионосфере области с пониженной электронной концентрацией (провал ионизации). На основе анализа перемещения лучей приемник — спутник GPS установлено, что ионосферный провал лежал в области широт 72–84° N и долгот 0–200° E. Полученные результаты согласуются с данными численного моделирования.
GPS, ионосфера, полное электронное содержание, высокоширотный провал, Арктический регион
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. Андреева Е.С., Калашникова С.А., Куницын В.Е. и др. Исследование высокоширотной ионосферы по данным УФ-спектрометрии, глобальным ионосферным картам GIM и высокоорбитальной радиотомографии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 1. С. 103-111.
2. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
3. Гальперин Ю.И., Сивцева Л.Д., Филиппов В.М. и др. Субавроральная верхняя ионосфера. Новосибирск: Наука, 1990. 192 с.
4. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 189 с.
5. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Физматлит, 2007. 336 с.
6. Тащилин А.В. Формирование крупномасштабной структуры ионосферы в спокойных и возмущенных условиях: дис. д-ра физ.-мат. наук: 25.00.29. Иркутск, 2014. 265 с.
7. CrainD.J., SojkaJ.J., SchunkR.W., etal. A first-principle derivation of the high-latitude total electron content distribution // Radio Sci. 1993. V. 28, N 1. P. 49-61.
8. Ding F., Wan W., Ning B., et al. Large scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS TEC during the magnetic storm of October 29-30, 2003 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A06309.
9. Dudeney J.R., Rodger A.S., Jarvis M.J. Radio studies of the main F region trough in Antarctica // Radio Sci. 1983. V. 18, N 6. P. 927-936.
10. Heppner J.P., Maynard N.C. Empirical high-latitude electric field models // J. Geophys. Res. 1987. V. 92, N A5. P. 4467-4489.
11. Jakowski N., Beniguel Y., De Franceschi G., et al. Monitoring, tracking and forecasting ionospheric perturbations using GNSS techniques // J. Space Weather Space Clim. 2012. V. 2. A22.
12. Jakowski N., Stankov S.M., Klaehn D. Operational space weather service for GNSS precise positioning // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 3071-3079.
13. 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 N 2176. URL: http://www.ursi.org/Proceedings/ProcGA02/papers/p2176.pdf. (accessed November 27, 2015).
14. Jiao Y., Morton Y.T., Taylor S., et al. Characterization of high-latitude ionospheric scintillation of GPS signals // Radio Sci. 2013. V. 48, N 6. P. 698-708.
15. 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. N 382. Paper 2-2.
16. Liu J., Chen R., Kuusniemi H., et al. 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. V. 9, N 1. P. 22-32.
17. Muldrew D.B. F-layer ionization trough deduced from Alouette data // J. Geophys. Res. 1965. V. 70, N 11. P. 2635-2650.
18. Perevalova N.P., Afraimovich E.L., Voeykov S.V., et al. Parameters of large scale TEC disturbances during strong magnetic storm on October 29, 2003 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A00A13.
19. Prikryl P., Jayachandran P.T., Mushini S.C., et al. GPS TEC, scintillation and cycle slips observed at high latitudes during solar minimum // Ann. Geophys. 2010. V. 28. P. 1307-1316.
20. Shagimuratov I.I., Krankowski A., Ephishov I., et al. High latitude TEC fluctuations and irregularity oval during geomagnetic storms // Earth Planets Space. 2012. V. 64. P. 521-529.
21. Spogli L., Alfonsi L., Cilliers P.J., et al. GPS scintillations and total electron content climatology in the southern low, middle and high latitude regions // Ann. Geophys. 2013. V. 56, N 2. R0220.
22. Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere // Proceeding of COSPAR Colloquia Series. 2002. V. 14. P. 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. V. 57, N 12. P. 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. V. 100. P. 19595-19607.
25. Zarraoa N., Sardon E. Test of GPS for permanent ionospheric TEC monitoring at high latitudes // Ann. Geophys. 1996. V. 14, N 1. P. 11-19.
26. URL: http://sopac.ucsd.edu (accessed November 27, 2015).
27. URL: www.vt.superdarn.org(accessed November 27, 2015).
