CC BY
59
УДК 537.877
А. В. Ларченко, О. М. Лебедь, А. С. Никитенко, С. В. Пильгаев
ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 20 МАРТА 2015 Г. В СИГНАЛАХ ОНЧ-ПЕРЕДАТЧИКОВ РСДН-20 ПО ДАННЫМ ОБСЕРВАТОРИЙ ЛОВОЗЕРО И БАРЕНЦБУРГ
Аннотация
Приведены результаты наземных измерений фаз сигналов ОНЧ-передатчиков радионавигационной системы РСДН-20 во время полного солнечного затмения 20 марта 2015 г. Регистрация сигналов проводилась в обсерваториях Полярного геофизического института (ПГИ) Ловозеро и Баренцбург. Показано, что во время прохождения полного затмения через трассы распространения сигналов наблюдается значимое понижение фаз этих сигналов в среднем на 0.3-0.4 рад. Ключевые слова:
солнечное затмение, распространение, ОНЧ-сигнал, фаза сигнала.
A. V. Larchenko, O. M. Lebed, A. S. Nikitenko, S. V. Pilgaev
EFFECTS OF SOLAR ECLIPSE OF MARCH 20 2015 IN VLF SIGNALS RSDN 20 BASED ON A DATA FROM LOVOZERO AND BARENTSBURG OBSERVATORIES
Abstract
The results of ground-based observations of the phase variations of RSDN-20 radio navigation system VLF signals during the solar eclipse of March 20, 2015 are discussed. Signals recording held in Lovozero and Barentsburg PGI observatories. It has been shown that a significant reduction in the phase signal about 0.3-0.4 radians is observed when the total eclipse area crossed the signal propagation path.
Key words:
solar eclipse, propagation, VLF signal, phase signal.
Введение
Солнечное затмение представляет собой уникальное явление, позволяющее изучить влияние быстрого изменения интенсивности солнечного излучения на ионосферу Земли. При затмении Солнца отмечается уменьшение концентрации электронов в ионосфере, что приводит к увеличению эффективной высоты отражения радиоволн ОНЧ-диапазона [1].
Эффекты солнечного затмения изучаются довольно давно [2-5]. Результаты исследований показали, что во время солнечных затмений наблюдается нарушение суточных вариаций параметров распространения сигналов. Эффекты от солнечных затмений, зарегистрированные в амплитуде и фазе ОНЧ-радиосигналов, зависят от длины пути, частоты сигнала, времени суток и степени затемнения, поэтому каждое затмение является уникальным. В недавних работах [6, 7], посвященных солнечным затмениям 1 августа 2008 г. и 22 июня 2009 г., показано, что на распространение ОНЧ/НЧ-сигналов влияет прохождение лунной тени в момент затмения Солнца. Наиболее чувствительной к эффектам солнечных затмений характеристикой является фаза сигнала. Это связано с тем, что изменение эффективной высоты отражения ОНЧ-радиоволн приводит к изменению фазового пути волн данного диапазона при пересечении области затмения. Радиоволны на этих частотах отражаются от самых нижних слоев ионосферы и поэтому в меньшей степени подвержены затуханию
73
в ионосфере, однако их фаза очень чувствительна к высоте отражения. Таким образом, результаты экспериментальных исследований связанных с солнечными затмениями эффектов могут служить источником дополнительной информации о влиянии Солнца на параметры волновода Земля - ионосфера и поведение ионосферы.
Данная работа посвящена исследованию влияния полного солнечного затмения, произошедшего 20 марта 2015 г., на распространение ОНЧ-сигналов, регистрируемых в обсерваториях ПГИ Ловозеро и Баренцбург. Приводятся результаты измерения фаз сигналов передатчиков системы «Альфа».
Аппаратура и постановка эксперимента
Работа основана на регистрации ОНЧ-сигналов (~ 12-15 кГц),
принимаемых в обсерваториях Ловозеро и Баренцбург с помощью трехкомпонентного регистратора СНЧ/ОНЧ-полей на земной поверхности, разработанного в ПГИ. Технические характеристики регистратора отвечают современным требованиям к приборам, применяемым для изучения геофизических полей и физических механизмов распространения радиоволн. Кроме того, он обладает прецизионной привязкой ко времени, возможностью измерения вертикальной электрической компоненты поля СНЧ/ОНЧ-сигналов и обеспечивает широкий динамический диапазон [8]. Исследования проводились для сигналов передатчиков российской фазовой радионавигационной системы «Альфа» (также известной как радиотехническая система дальней навигации или РСДН-20) [9]. В настоящее время система «Альфа» включает три передатчика, работающих практически постоянно. Передатчики расположены в районе Новосибирска, Краснодара и Комсомольска-на-Амуре. Они излучают последовательности сигналов длительностью 3.6 с на частотах 11.905, 12.649 и 14.881 кГц. На рис.1 слева показано взаимное расположение приемников ОНЧ-излучения и перечисленных передатчиков. Справа приведена карта, иллюстрирующая область прохождения солнечного затмения 20 марта 2015 г. [10].
Рис.1. Расположение ОНЧ-приемников, передатчиков РСДН-20 и области прохождения затмения
74
Данное солнечное затмение представляло собой полное солнечное затмение 120-го сароса (период 18 лет 11.3 дня). Его можно было наблюдать на севере Атлантического океана и в Арктике. Частичные фазы затмения наблюдались в северной Африке, Европе, западной части России. Полное затмение можно было наблюдать между 9:14 и 10:18 UT. Особенностью данного эксперимента по исследованию эффектов влияния солнечного затмения на распространение ОНЧ-радиосигналов являлось то, что обс. Баренцбург, в которой велась регистрация сигналов, находилась практически на центральной линии затмения. Здесь полное затмение насупило в 10:09 UT и длилось 2.5 мин. Такое уникальное расположение ОНЧ-приемника позволило нам наблюдать эффекты влияния полного солнечного затмения на распространение ОНЧ-сигналов.
Стоит отметить, что анализ сигналов в период солнечного затмения был осложнен возмущенной геомагнитной обстановкой. Перед затмением, 18 марта, наблюдалась сильная магнитная буря. Значение Osf-индекса достигало примерно -230 нТл, а Kp-индекса - 7 [11]. Кроме того, 15 марта спутником GOES-15 была зарегистрирована вспышка на Солнце. Поток высокоэнергичных протонов наблюдался вплоть до 18 марта [12].
Результаты эксперимента
Для исследования эффектов влияния солнечного затмения на распространение ОНЧ-сигналов мы измеряли фазу сигналов системы передатчиков «Альфа», регистрируемые в обсерваториях Ловозеро и Баренцбург. Результаты для всех трех передатчиков приведены на рис.2. Время максимального затемнения в обс. Баренцбург показано на рис.2 крестиком. Фазы, соответствующие частичному затмению, отмечены на рисунке сплошной линией. Остальные значения фазы обозначены штриховой линией.
Рис.2. Фазы сигналов, зарегистрированных в обсерваториях Ловозеро (синий цвет) и Баренцбург (красный цвет). Слева направо: передатчики в Краснодаре, Комсомольске-на-Амуре и Новосибирске
75
Сначала рассмотрим поведение фазы сигнала с краснодарского передатчика (рис.2, левая панель). На всех трех передающихся частотах хорошо прослеживается суточный ход фазы. Переходы ночь-день и день-ночь достаточно резкие. Это, по-видимому, связано с тем, что трасса распространения сигнала располагается практически вдоль меридиана (рис.1). Кроме того, из рис.2 видно, что день в Баренцбурге немного короче дня в Ловозеро, что соответствует действительности в данное время года. Во время полного затемнения мы видим понижение фазы в Баренцбурге примерно на 0.4 рад. В обс. Ловозеро мы также наблюдаем понижение фазы, произошедшее чуть позже и на меньшее значение, примерно на 0.2 рад. Такое отличие можно объяснить расположением трасс распространения сигналов. Трасса Краснодар -Баренцбург захватывает область полного затмения, в то время как трасса Краснодар - Ловозеро проходит через область с максимумом в 84 % затемнения.
Теперь рассмотрим поведение фазы сигнала от передатчика в Комсомольске-на-Амуре (рис.2, средняя панель). Наблюдаемый здесь ее суточный ход сильно отличается от суточного хода фазы сигнала передатчика в Краснодаре, однако это отличие объясняется взаимным расположением трасс распространения сигналов (рис.1), они практически перпендикулярны друг другу. В сигнале от передатчика в Комсомольске-на-Амуре мы наблюдаем наибольший из всех трех передатчиков набег фазы (примерно 4.5 рад за 20 ч). Во время полного затмения здесь также уменьшилась фаза, примерно на 0.3 рад в Баренцбурге и на 0.5 рад в Ловозеро. Понижение фазы в Ловозеро, так же как и в предыдущем случае, наблюдалось немного позже.
Поведение фазы сигнала от передатчика в Новосибирске практически аналогично поведению фазы от краснодарского передатчика (рис.2, правая панель). Немного сдвинутый суточный ход фазы связан с расположением передатчика. Длина трасс распространения сигналов от этих двух передатчиков практически одинаковая, что обуславливает практически одинаковое значение набега фазы (3 рад за 20 ч). Здесь во время затмения фаза также уменьшается. Примерно на 0.3 рад как в Баренцбурге, так и в Ловозеро. Исключение составляет сигнал на частоте 14.881 кГц. Здесь наблюдается в Баренцбурге понижение фазы на 0.5 рад, а в Ловозеро увеличение фазы на 0.9 рад. Этот случай не объясняется простой моделью распространения ОНЧ-сигналов и требует дальнейшего более детального изучения.
Заключение
Исследование влияния полного солнечного затмения, произошедшего 20 марта 2015 г., на распространение ОНЧ-сигналов, регистрируемых
в обсерваториях Ловозеро и Баренцбург по результатам измерения фаз сигналов передатчиков системы «Альфа» показало наличие значимого понижения фаз сигналов во время прохождения полного затмения через трассы распространения этих сигналов. Было получено, что в среднем фаза снижалась на 0.3-0.4 рад на всех используемых частотах.
Литература
1. Нестеров В. И. Изменение параметров принимаемых сигналов СДВ-диапазона во время солнечного затмения 31 июля 1981 г. // Вестник ТОГУ. 2012. № 3 (26). С. 49-56.
76
2. Total solar eclipse effects on VLF signals: Observations and modeling / M. A. Clilverd, C. J. Rodger, N. R. Thomson, J. Lichtenberger, P. Steinbach, P. Cannon, M. J. Angling // Radio Science. 2001. Vol. 36, Issue 4. Р. 773-788.
3. Crary J. H., Schneible D. E. Effect of the solar eclipse of 20 July 1963 on VLF signal propagating over short paths // Radio Sci. 1965. Vol. 69. Р. 947-957.
4. Kaufmann P., Schaal R. E. The effect of a total solar eclipse on a long path VLF transmission // J. Atmos. Terr. Phys. 1968. Vol. 30, № 3. Р. 469-471.
5. Reeve C. D., Rycroft M. J. The eclipsed lower ionosphere as investigated by natural very low frequency radio signal // J. Atmos. Terr. Phys. 1972. Vol. 34. Р. 667-672.
6. Effects of solar eclipse on long path VLF transmission / S. S. De, B. K. De,
B. Bandyopadhyay, S. Paul, S. Barui, D. K. Haldar, M. Sanfui, T. K. Das, G. Chattopadhyay, P. Pa // Bulg. J. Phys. 2011. Vol. 38. Р. 206-215.
7. Одновременные наблюдения на Камчатке и в Якутии естественного электромагнитного излучения в КНЧ-ОНЧ диапазонах в период солнечного затмения 1 августа 2008 г. / Г. И. Дружин, В. Н. Уваров, В. А. Муллаяров,
B. И. Козлов, А. А. Корсаков // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 2.
C. 220-227.
8. Трехкомпонентный СНЧ/ОНЧ-приемник с прецизионной привязкой к мировому времени / С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, М. В. Филатов, А. С. Никитенко, О. М. Лебедь. В настоящем сборнике.
9. Jacobsen T. The Russian VLF navaid system, Alpha, RSDN-20 // Radio Waves
below 22 kH: site. URL: http://www.vlf.it/alphatrond/alpha.htm (дата
обращения: 18.12.2015).
10. Total Solar Eclipse of 2015 Mar 20 // NASA Eclipse: site. URL: http://eclipse.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 18.12.2015).
11. Godard space flight center: site. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 18.12.2015).
National centers for environmental information: site. URL: http://satdat.ngdc.noaa.gov (дата обращения: 18.12.2015).
Сведения об авторах
Ларченко Алексей Викторович,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, alexey.larchenko @gmail. com
Лебедь Ольга Михайловна,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, olgamihsh@yandex. ru
Никитенко Александр Сергеевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, alex.nikitenko91@gmail.com
Пильгаев Сергей Васильевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, pilgaev@pgia.ru
77
