CC BY
0Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2024
УДК 551:501 DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-224-232
Определение эффективной частоты столкновений электронов в нижней ионосфере Земли по данным анализа радиозатменных измерений
В.Н. Губенко1, В.Е. Андреев1, И.А. Кириллович1
1Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
141190, г. Фрязино, Московская область, пл. Введенского, 1
E-mail: gubenko@fireras. su, vngubenko@gmail. com
Изучение столкновений между электронами и нейтральными молекулами представляет особый интерес для физики ионосферы Земли. В частности, важно выяснить роль, которую они играют в ослаблении радиоволн при распространении внутри D- и Е-областей ионосферы, а также определить токовые системы и ионосферную проводимость. Нами разработан метод восстановления вертикальных профилей коэффициента поглощения дециметровых (длина волны ~19 см) радиоволн, базирующийся на решении обратной задачи о поглощении сигнала в ионосфере планеты. По результатам анализа радиозатменных измерений спутников FORMOSAT-3/COSMIC были определены высотные профили коэффициента поглощения дециметровых (ДМ) радиоволн в ионосфере Земли во время магнитной бури 22-23 июня 2015 года. Известно, что величина коэффициента поглощения на данной фиксированной частоте прямо пропорциональна произведению электронной плотности и частоты столкновений электронов с ионами и нейтральными частицами. Используя полученные данные о вертикальных профилях коэффициента поглощения ДМ-сигнала и электронной плотности, восстановленных из анализа радиозатменных измерений FORMOSAT-3/COSMIC, была оценена эффективная частота столкновений электронов в D- и Е-областях высокоширотной ионосферы Земли. Проведенные исследования в ионосфере планеты представляют большой практический интерес для радиосвязи и навигации, а также важны для анализа динамики космической погоды.
Ключевые слова: радиозатменные измерения, поглощение радиоволн, ионосфера Земли, эффективная частота столкновений электронов
Determination of the effective collision frequency of electrons in the Earth's lower ionosphere according to analysis of radio occultation measurements
V.N. Gubenko1, V.E. Andreev1, I.A. Kirillovich1
1 Kotel 'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of Russian Academy of Sciences
(Fryazino branch)
The study of collisions between electrons and neutral molecules is ofparticular interest for the physics of the Earth's ionosphere. In particular, it is important to clarify the role they play in attenuating radio waves propagating within the D- and E-regions of the ionosphere, as well as to determine current systems and ionospheric conductivity. Based on solving the inverse problem of signal absorption in the planet's ionosphere, we have developed a method for reconstructing vertical profiles of the absorption coefficient of decimeter (wavelength ~19 cm) radio waves. Using the results of the analysis of radio occultation measurements from the FORMOSAT-3/COSMIC satellites, the altitude profiles of the absorption coefficient of decimeter (DM) radio waves in the Earth's ionosphere during the magnetic storm on June 22-23, 2015 were determined. It is known that the value of the absorption coefficient at a given fixed frequency is directly proportional to the product of the electron density and collision frequency of electrons with ions and neutral particles. Using obtained data on the vertical profiles of the DM signal absorption coefficient and electron density, reconstructed from the analysis of radio occultation measurements by FORMOSAT-3/COSMIC satellites, the effective collision frequency of electrons in the D- and E-regions of the Earth's high-latitude ionosphere was estimated. These studies
in the planet's ionosphere are of greatpractical interest for radio communications and navigation, and they are also important for analyzing the dynamics of space weather.
Keywords: radio occultation measurements, radio wave absorption, Earth's ionosphere, effective collision frequency of electrons
Введение
Радиозондирование ионосферы Земли может быть осуществлено с использованием как искусственных, так и естественных источников радиоизлучения, расположенных за пределами ионосферы. Дециметровые радиоволны достаточно высокой частоты, посланные с борта навигационного спутника, проходят через ионосферу насквозь и могут быть приняты на поверхности Земли или на борту другого (низкоорбитального) спутника. Интегральное содержание электронов вдоль траектории радиолуча можно определить по измерениям фазового пути (эйконала) принятого сигнала. Наблюдения за вариациями интенсивности спутникового сигнала или космического радиошума, прошедшего через ионосферу, указывают на вариации поглощения радиоволн и, следовательно, на вариации содержания электронов и их частоты соударений в нижней ионосфере планеты [1-4]. При радиозатменном зондировании ионосферы применяются рабочие GPS-частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы, что делает радиозатменный метод не зависящим от состояния ионосферы. Это обстоятельство выгодно отличает его от традиционных методов исследования ионосферы отражёнными радиоволнами, где применяются волны с частотами, близкими к плазменной, на распространение которых ионосфера оказывает сильное влияние. Вторжение энергичных частиц в периоды геомагнитных возмущений приводит к увеличению электронной плотности в нижних слоях ионосферы и возрастанию поглощения радиоволн, что делает невозможным применение указанных традиционных методов при интенсивных возмущениях [5]. Предлагаемый нами метод зондирования является эффективным как раз тогда, когда надобность в исследованиях ионосферы ощущается особенно остро, например, во время сильных магнитных бурь. Изучение столкновений свободных электронов с нейтралами и ионами важно для анализа различных макроскопических явлений. В интервале высот ¿-области эти столкновения определяют тепловую и электрическую проводимость плазмы и токовых систем, которые порождают геомагнитные возмущения [6].
До настоящего времени радиозатменные измерения не использовались для исследования поглощения радиоволн на GPS-частотах и определения частоты столкновений электронов в нижней ионосфере Земли. Это было обусловлено тем, что в спокойной геомагнитной обстановке, по данным анализа радиозатменных измерений, имели место только слабые возмущения в E- и D-областях ионосферы без каких-либо признаков поглощения радиоволн [1]. Анализ радиозатменных измерений продемонстрировал слои повышенного поглощения ДМ-сигнала в ионосфере, которые были обусловлены сильными изменениями геомагнитных условий во время бури в июне 2015 года и мощными всплесками рентгеновского излучения, наблюдающимися в это время [3]. Поскольку рабочие GPS-частоты существенно превышают критическую частоту ионосферы, то в радиозатменных измерениях регистрируется неотклоняющее поглощение [5]. Существенное превышение над критической частотой важно для обеспечения надёжных измерений в условиях повышенного поглощения радиоволн во время сильных магнитных бурь.
Цель настоящей работы заключается в восстановлении и анализе вертикальных профилей эффективной частоты столкновений электронов в D- и ¿-областях высокоширотной ионосферы Земли по результатам обработки радиозатменных спутниковых измерений FORMOSAT-3/COSMIC во время магнитной бури 22-23 июня 2015 года.
Метод определения эффективной частоты соударений электронов в ионосфере
Предыдущие наши работы [1-3] посвящены анализу радиозатменных измерений, проведённых с помощью навигационных GPS и низкоорбитальных FORMOSAT-3/COSMIC спутников в ионосфере Земли во время магнитной бури 22-23 июня 2015 года. Анализируемые сеансы (~100 сеансов) измерений были выполнены на широтах от ~65° до ~88°с.ш. и охватывали интервал высот от ~50 до —110 км. Каждый из этих сеансов содержал зависимости эйконала (фазового пути) и мощности сигнала (диапазон Li, длина волны —19 см) от высоты перигея луча, а также имел вертикальный профиль электронной плотности. Погрешность восстановления электронной плотности Ne из данных об эйконале составляла 5Ne ~ 104 см-3, а её значения давались с шагом по вертикали 2.5 км [1]. Было найдено, что мощные всплески рентгеновского излучения и геомагнитные условия во время главной фазы шторма обусловливают возмущения и повышенные уровни электронной плотности в D- и ¿-областях ионосферы планеты. Поиск поглощения ДМ-радиоволн на несущей GPS-частоте fi = 1545.42 МГц показал, что величина интегрального поглощения на трассах радиозатменного зондирования (навигационный GPS- низкоорбитальный FORMOSAT-3/COSMIC спутники) составляет ~3 дБ в интервале высот —50-90 км, а в отдельных случаях достигает —10 дБ на уровнях от —90 до —95 км [1, 2]. В работах [3, 4] предложен общий метод восстановления вертикальных профилей коэффициента поглощения Z, базирующийся на решении обратной задачи о поглощении радиоволн в нижней ионосфере Земли. Здесь также представлены результаты определения высотных профилей коэффициента поглощения Z(h) ДМ-сигнала в ионосфере планеты и погрешности 5Z их восстановления на высотах ниже —100 км во время магнитной бури 22-23 июня 2015 года. В качестве оценки погрешности 5Z для анализируемого профиля Z(h) мы использовали абсолютную величину максимальной невязки при решении обратной задачи о поглощении радиоволн (см. табл. 1 работы [3]).
Если частота ю = 2nf радиоволны удовлетворяет неравенству ю2 >> v2, то коэффициент поглощения Z прямо пропорционален произведению vNe и обратно пропорционален квадрату частоты f2) волны [5], и эффективную частоту столкновений v электронов можно определить из следующего выражения:
Z(h)* 1.15 (1)
где Ne — электронная плотность (в см-3); f — частота (в Гц);
Z — коэффициент поглощения (в дБ/км). Таким образом, согласно выражению (1), формула для восстановления профиля v(h) из данных о коэффициенте поглощения Z(h) на несущей GPS-частоте fi = 1.54542 109 Гц и о профиле электронной плотности Ne(h) имеет вид:
v(h) « ^^ (2)
v J 1.15-103 v '
Учитывая относительные ошибки 5Z/Z и 5Ne/Ne определения коэффициента поглощения Z и электронной плотности Ne и полагая их независимыми, можно найти погрешность восстановления 5v/v эффективной частоты столкновений v электронов:
5v / v = ^(5Z/Z )2 +(5 NjNe )2. (3)
Критерий отбора вертикального профиля Z(h) для расчёта эффективной частоты столкновений электронов с нейтралами и ионами состоял в следующем:
а) отбирались профили Z(h), у которых локальные максимумы коэффициента поглощения были восстановлены с относительной погрешностью не более 5Z/Z ~50 % (см. табл. 1 работы [3]);
б) для рассматриваемого сеанса радиозатменных измерений должны были иметься данные об электронной плотности в анализируемом интервале высот.
Что касается применимости радиозатменного метода при определении v, то ответ здесь заключается в том, насколько хорошо и с какими погрешностями восстанавливаются значения локальных максимумов Zmax в высотных профилях коэффициента поглощения Z(h). Именно от этих погрешностей, главным образом, зависят ошибки определения v, поскольку влиянием погрешностей восстановления электронной плотности (~10 %) можно в данном случае пренебречь.
Экспериментальные данные и анализ полученных результатов
Частота столкновений между электронами и нейтральными молекулами в нижней ионосфере Земли определяет сопротивление среды, испытываемое электроном при его движении. Эффективная частота столкновений — это сумма частот электрон-ионных столкновений и столкновений с нейтральными частицами [6]. Важно выяснить роль, которую играют указанные столкновения в ослаблении радиоволн, распространяющихся внутри D- и ¿-областей ионосферы планеты. Рассмотрим примеры восстановления вертикальных профилей эффективной частоты столкновений электронов, которые используют анализ радиозатменных данных спутников FORMOSAT-3/COSMIC.
На рис. 1 представлен пример такого восстановления (данные FORMOSAT-3/COSMIC-6 GPS-22 от 22 июня 2015 года). Экспериментальные значения Ne восстанавливались с погрешностью 5Ne ~ 104 см-3, они показаны на рис. 1 белыми кружками. Треугольниками представлены значения коэффициента поглощения Z, которые были определены с погрешностью 5Z ~ 0.7-10-3 дБ/км [3]. С помощью формулы (2) и указанных выше экспериментальных данных вычислена эффективная частота столкновений v электронов (черные кружки). Относительная погрешность 5v/v восстановления указанных значений найдена с помощью выражения (3). Наиболее надёжные результаты, полученные при восстановлении профиля v(h) с относительной погрешностью меньше ~100 %, обозначены буквами на рис. 1. Величины погрешности для выделенных экспериментальных точек приведены в подрисуночной подписи. Отметим, что анализируемые радиозатменные измерения были проведены сразу после начала мощных всплесков рентгеновских лучей (~16.30 UT 22 июня 2015 года) и до прихода (18.36 UT 22 июня 2015 года) основного КВМ (коронального выброса массы) в магнитосферу планеты, поэтому они подвержены влиянию всплесков рентгеновского излучения, а воздействие геомагнитных условий основной фазы шторма здесь отсутствует [1, 3].
На рис. 2 показаны профили коэффициента поглощения Z(h), электронной плотности Ne(h) и эффективной частоты столкновений v(h) в ионосфере планеты (данные FORMOSAT-3/COSMIC-6 GPS-16 от 22 июня 2015 года). В этом профиле погрешность восстановления значений Z составляет ±1.3 10-3 дБ/км [3]. Два чётких максимума коэффициента поглощения (1.6±1.3)10-3 и (3.3±1.3)10-3 дБ/км зафиксированы в данном сеансе на высотах 67.8 и 63.8 км, соответственно (см. табл. 1 работы [3]). К сожалению, на указанных высотах отсутствуют данные об электронной плотности, что не позволяет определить значения v. Рассмотрение рис. 2 показывает, что значения коэффициента поглощения на высотах более 90 км, где имеются сведения об электронной плотности, не превышают 10-3 дБ/км. При этом относительная погрешность восстановления значений коэффициента поглощения на указанных высотах, очевидно, оказывается больше 100 %. Поэтому точность восстановления вертикального профиля v(h) в данном сеансе измерений недостаточно высока (5v/v > 100 %).
Рис. 1. Вертикальные профили коэффициента поглощения радиоволн, электронной
плотности Ие(к) и эффективной частоты столкновений электронов \(к) в ионосфере Земли, полученные из анализа сеанса радиозатменных измерений FORMOSAT-3/COSMIC-6 GPS-22 (22 июня 2015 года). Величины относительной погрешности 8у/у для выделенных экспериментальных точек: ~28 % (а); ~25 % (б); ~50 % (в); ~71 % (г);
~45 % (¿); ~75 % (е)
Рис. 2. То же, что и на рис. 1, но для сеанса измерений FORMOSAT-3/COSMIC-6 GPS-16 (22
июня 2015 года)
Рис. 3. То же, что и на рис. 1, но для сеанса измерений FORMOSAT-3ICOSMIC-1 GPS-30 (22 июня 2015 года). Величины относительной погрешности 8у/у для выделенных экспериментальных точек: ~50 % (а); ~50 % (б); ~27 % (в); ~26 % (г)
На рис. 3 представлены наиболее качественные результаты восстановления вертикального профиля v(h) в сеансе радиозатменных измерений ¥0ЕМ08ЛТ-31С08М1С-1 ОР8-3в, где поглощение сигналов ДМ-диапазона было надёжно зарегистрировано. Измерения были проведены в 19.41 ИТ 22 июня 2015 года и демонстрируют самые сильные возмущения, обусловленные как мощными всплесками рентгеновского излучения, так и изменением геомагнитных условий во время главной фазы шторма. Значения коэффициента поглощения 2 в этом сеансе измерений определялись с погрешностью 82 ~ 1.4-10-3 дБ/км. Локальный максимум коэффициента поглощения здесь расположен на высоте 91.8 км и достигает наибольшего значения (5.7±1.4)-10-3 дБ/км для всех анализируемых сеансов [3, 4]. Наиболее надёжные результаты, полученные при восстановлении вертикального профиля у(^), обозначены буквами, величины погрешности для выделенных экспериментальных точек приведены в подрисуночной подписи. Результаты восстановления профиля v(h) демонстрируют повышенные значения эффективной частоты столкновений V ~ 108 с-1 электронов на высотах ~91-92 км, которые получены из анализа данных в этом сеансе измерений с достаточно высокой точностью ~26-27 %.
На рис. 4 и 5 представлены данные об эффективной частоте столкновений V электронов, полученные 23 июня 2015 года во время измерений в ионосфере Земли в 05.06 ИТ (рис. 4) и 07.28 ИТ (рис. 5). Указанное время измерений соответствует концу главной фазы магнитной бури (~03.00-05.00 ИТ) [1, 3]. Как видно из представленных данных, поглощение радиоволн наблюдается довольно чётко в указанных двух сеансах. При этом погрешность определения коэффициента поглощения радиоволн 2 составила 82 ~ 1.7' 10-3 и —1.1-10-3 дБ/км, соответственно. Наиболее надёжные результаты при восстановлении вертикального профиля v(h) обозначены буквами, значения погрешности для выделенных экспериментальных точек даны в подрисуночных подписях.
2, дБ/км
Ю4 Ю5 106 107 ю8
К, см3; V, с-'
Рис. 4. То же, что и на рис. 1, но для сеанса измерений FORMOSAT-3/COSMIC-6 GPS-22 (23 июня 2015 года). Величины 8у/у для выделенных экспериментальных точек: ~53 % (а);
~52 % (б)
дБ/км
Ю"5 10"4 10"3 10"2
-1-Г-1-1 I I II |—'-1-"Н-1-1 I I I I I-1-1-1-1 I I II -1-1-1-1111
104 1 05 1 06 1СГ 10е
к, СМ-3; V, С-'
Рис. 5. То же, что и на рис. 1, но для сеанса измерений FORMOSAT-3/COSMIC-1 GPS-01 (23 июня 2015 года). Величины 8у/у для выделенных экспериментальных точек: ~52 % (а);
~52 % (б)
Сравним полученные нами результаты с данными о частоте столкновений Vm моноэнергетических электронов, приведёнными в работе [7, Fig. 1]. Авторы указанной работы утверждают, что представленные в ней результаты обобщают наиболее надёжные данные, полученные разными исследователями. К сожалению, эти результаты не содержат информации по интервалу высот ~88—106 км, что затрудняет возможность сравнения наших данных и результатов работы [7]. В области пересечения данных, на высоте ~70 км, частота столкновений Vm моноэнергетических электронов равна ~ 7 ■ 106 с-1 и совпадает по модулю с ларморовской частотой электронов [7, 8]. Согласно нашим данным (рис. 1), значения эффективной частоты столкновений электронов на высотах ~74 и ~66 км составляют (~2.5±1.1)-107 и (~2.0±1.5)-107 с-1, соответственно. Таким образом, мы видим, что наши данные отличаются от результатов работы [7] примерно в три раза. Эти отличия могут быть связаны с тем, что наши измерения проводились во время сильной магнитной бури, а данные, приведённые в работе [7], относятся к спокойному геомагнитному периоду в ионосфере Земли.
В работе [9] приведены и проанализированы модельные представления особенностей высотно-временных изменений частоты столкновений электронов с молекулами в невозмущённой среднеширотной D-области ионосферы, выполненных методом частичных отражений (ЧО) и ракетными методами. Результаты экспериментов показали, что изменение v(h) в среднеширотной D-области ионосферы в течение светлого времени суток не превышают погрешностей измерений методом ЧО (< 30 %), что свидетельствует об отсутствии зависимости частот столкновений электронов с молекулами от зенитного угла Солнца. На основе многочисленных экспериментов была установлена сезонная зависимость v(h). Так, было найдено, что на высоте 66 км, средние значения частоты столкновений для летних и зимних условий составляют 1.74-107 и 1.64-107 с-1, соответственно. Приведённые значения хорошо согласуются с результатами, полученными нами на указанной высоте (рис. 1).
В работе [10, Fig. 7] профиль эффективной частоты столкновений электронов в D-области определялся на основе измерений радара некогерентного рассеяния и совмещённых с ними риометрических измерений. Значение эффективной частоты столкновений v на высоте ~65 км составляет ~107 с-1, что также соответствует нашим данным, учитывая погрешности восстановления V.
Заключение
По результатам анализа радиозатменных измерений разработан метод восстановления вертикальных профилей эффективной частоты столкновения электронов в D- и ¿-областях ионосферы Земли. Используя данные о вертикальных профилях коэффициента поглощения ДМ-радиоволн и электронной плотности, восстановленных из измерений FORMOSAT-3/COSMIC, была оценена эффективная частота столкновений электронов в D- и ¿-областях высокоширотной ионосферы Земли во время магнитной бури 22-23 июня 2015 года. Проведенные исследования в ионосфере планеты представляют большой практический интерес для радиосвязи и навигации, а также важны для анализа динамики космической погоды.
Работа выполнена в рамках государственного задания Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Литература
1. Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А., Губенко Т.В., Павельев А.А., Губенко Д.В. Радиозатменные исследования возмущений в ионосфере Земли во время магнитной
бури 22-23 июня 2015 года // Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61. № 6. С. 713-722, https://doi.org/10.31857/S0016794021060067.
2. Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А., Губенко Т.В., Павельев А.А. Вариации параметров радиоволн в высокоширотной ионосфере Земли на трассах спутник-спутник во время геомагнитной бури 22-23.VI.2015 // Космические исследования. 2021. Т. 59. № 3. С. 191-195, https://doi.org/10.31857/S0023420621030055.
3. Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А., Губенко Т.В., Павельев А.А., Губенко Д.В. Коэффициент поглощения дециметровых радиоволн (~19 см) в ионосфере Земли по результатам решения обратной задачи в радиозатменных спутниковых исследованиях во время магнитной бури в июне 2015 г. // Космические исследования. 2022. Т. 60. № 6. С. 471-478, https://doi.org/10.31857/S0023420622060036.
4. Andreev V.E., Gubenko V.N., Kirillovich I.A. GPS L1 signals absorption in high-latitude lower ionosphere during severe geomagnetic storm in June 2015 // J. Physics: Conference Series. 2021. V. 1991. Iss. 1. Art. ID. 012006, https://doi.org/10.1S088/1742-6596/1991/1/012006.
5. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 518 с.
6. Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А., Губенко Т.В., Павельев А.А., Губенко Д.В. Определение эффективной частоты столкновения электронов в области E и D ионосферы высоких широт по данным анализа радиозатменных измерений // Космические исследования. 2023. Т. 61. № 6. С. 454-460, https://doi.org/10.31857/S0023420623600137.
7. Belrose J.S., Hewitt L.W. Variation of Collision Frequency in the Lowest Ionosphere with Solar Activity // Nature. 1964. V. 202. Art. ID. 4929. P. 267-269.
8. Fejer J.A. Motions of Ionization // Physics of the Earth's Upper Atmosphere / eds. Hines C.O., Paghis I., Hartz T.R., Fejer J.A. Englewood Cliffs: Prentice-Hall Inc., 1965. P.157-175.
9. Gokov A.M., Tyrnov O.F. Modeling of the electron-molecule collision frequency variations in the undisturbed midlatitude D-region on the experimental basis // 24th Intern. Crimean Conf. "Microwave and Telecommunication Technology. 2014" (CriMiCo'2014). P. 1099-1100.
10. Beharrell M., Honary F. A new method for deducing the effective collision frequency profile in the D-region // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Iss. A05. Art. ID. A05303, https://doi.org/10.1029/2007JA012650.
