Распространение КВ-радиоволн в полярной ионосфере в периоды усиления магнитосферной конвекции Текст научной статьи по специальности «Физика»

II Инженерный вестник Дона, №2 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4862

Распространение КВ-радиоволн в полярной ионосфере в периоды усиления магнитосферной конвекции

Г.А. Власков, А.М. Можаев, В.И. Снежков Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: В рамках простых объемных моделей электронной концентрации в F-слое полярной ионосферы рассмотрено влияние нестационарной конвекции на состояние радиотрасс в высоких широтах. Модельные расчеты коротковолновых радиолучей показали существенное различие для спокойных и возмущенных условий в приполярной ионосфере.

Ключевые слова: ионосфера, рефракция, конвекция, плазма, радиолучи, высокие широты.

Рефракция коротковолновых радиоволн, распространяющихся в ионосфере средних широт, в основном определяется вертикальными градиентами электронной плотности среды. В высоких широтах заметную роль играют и горизонтальные градиенты электронной плотности. Известно [1], что возникновение крупномасштабных электрических полей магнитосферной конвекции влечет за собой глобальное перераспределение электронной плотности. Также отмечалось [2], что это заметно влияет и на состояние высокоширотных радиотрасс. Рассмотрим простой способ расчёта радиолучей в геометрическом приближении. Уравнение радиолучей представим в виде [3]:

где л- - натуральный параметр; у = (1/2)In s; г - радиус вектор траектории луча; т - касательный единичный вектор.

Используем разложение вектора по ортам репера Френе [6]:

Ру = t(t Щ+ + (2)

где т, - единичные векторы касательной, нормали, бинормали репера. После подстановки выражения (2) в формулу (1) получим

(It ds = 4(4 Vf) + 0(0 Щ (3)

Учет соотношения Френе позволяет записать кривизну k луча:

= к;

Дифференцируем Д\7у = 0: (с1$Щ Щ + 0(е!Ру/Ж) = 0, но 601= зе$, кручение, тогда

(4)

х(ё Щ 0 ]/{(!]' </\ - /I т Щ к (5)

Уравнения (3), (4) дают возможность вычислить кривизну к и кручение ж радиолуча, если известен логарифмический коэффициент преломления1^ = у(г). Значение функции у могут быть получены из модельных распределений электронной концентрации. Известно [4], что кривая однозначно определяется кривизной и кручением вплоть до ее положения в пространстве.

Разложение радиус - вектора точек радиолуча в ряд Тейлора с учетом формул Френе позволяет построить алгоритм интегрирования траектории радиолучей в ионосфере:

Формула (6) совместно с (4) и (5) дает возможность рассчитать следующую точку радиолуча при известной предыдущей.

Для тестовой апробации предложенного алгоритма была рассмотрена задача, допускающая аналитическое решение. Расхождение в точке прихода радиолуча между точным и численным решением при шаге £& вдоль траектории, равным 5 км, и длине трассы порядка 1000 км, меньше 10 км.

На рисунках 1а,1б, 2а, 2б представлены траектории радиолучей, рассчитанные для объемной модели F - области полярной ионосферы [7]. Параметры модели отвечают следующим условиям: число солнечных пятен R = 200, время 18 иТ, 6 марта. Географические координаты передатчиков = 7Qi>, X = 0°, Радиолучи частот 2.5, 5, 7.5 МГц выходят в направлении на северный географический полюс под углом 27°. Таким образом, радиотрасса

- к\Ы> 6) + 4ксЫ2 2 + (с!кЩс1^/6 + 0(ксе (6)

:

проходит в вечернем секторе полярной ионосферы и пересекает характерные для этой зоны крупномасштабные неоднородности.

Рассматривался сценарий возмущения конвекции, предложенный в [3]. Рис.1а, 1б соответствуют спокойным условиям.

Рис. 1а.

Рис.1б.

Рис. 1. Траектории лучей соответствующие спокойным условиям

Радиолучи, проникая на значительные высоты (рис.1а.), испытывают заметное боковое отклонение в антисолнечном направлении (рис.1б). Это определяется в первую очередь тем, что радиотрасса проходит в непосредственной близости от терминатора, где наблюдаются существенные горизонтальные градиенты № [8]. Структуры конвективного происхождения при этом слабо выражены.

Те же самые параметры ионосферы и время соответствуют рис. 2а и рис.2б. Однако в расчетах здесь предполагалось, что во время 16 ПТ началось возмущение конвекции и развивалось предложенному в [3] сценарию. Заметно изменились условия прохождения радиолучей. Незначительным стало боковое отклонение, ниже высота отражения от ионосферы и, соответственно, более короткими скачки радиотрассы.

:

Рис. 2а: __Н(7.5) MHz; Н(5.0) MHz;__Н(2.5 MHz);

Рис.2б _широта (рад.) (7.5) MHz

.....широта (рад.) (5.0) MHz

Рис.2. Траектории лучей при возмущении конвекции

Это определяется тем, что усилившаяся конвекция принесла в полярную шапку дополнительную ионизацию с дневной стороны, и вдвое увеличилась величина электронной концентрации на этом участке [9]. Полученные результаты для спокойных условий в основном согласуются с выводами работы [1]. При этом необходимо учитывать нестационарное состояние магнитосферной конвекции и соответствующие изменения ионосферы [10].

Литература

1. Мингалёв В.С., Орлова М.И., Мингалёва Г.И., Буянова Т.В. Моделирование прохождения КВ-сигналов на высокоширотной трассе в условиях равноденствия // Геомагнетизм и аэрономия,1990. № 5. с. 871-875.

2. Власков Г.А., Можаев А.М., Пономарёв Ю.Н., Исаев Н.В. Вариации крупномасштабной структуры F-области высокоширотной ионосферы, обусловленные типовыми изменениями магнитосферной конвекции. М: ИЗМИРАН. Препринт, 1991г. 43(990). 20 с.

3. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 178 с.

4. Стернберг С. Лекции по дифференциальной геометрии. М.: Мир, 1970. 126 с.

5. Бурцев А.Г., Мельников А.В. Численное моделирование и анализ спектра системы прерывающихся сигналов //Инженерный вестник Дона, 2014, - № 2, URL: ivdon/ru/magazine/archive/n1y2017/2064/2314.

6. Яковлев О. И., Якубов В. П., Урядов В.П., Павельев А. Г. Распространение радиоволн. С.-П: ЛЕНАНД, 2009. 496 с.

7. Благовещенский Д. В., Борисова Т. Д., Калишин А. С. Нестандартные (боковые) моды распространения на высокоширотной коротковолновой радиотрассе // Известия вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52. № 4. С. 101 - 112.

8. Яковлев В.В. Арсеньев Д.М. Исследование точности спутниковых определений по мере удаления от базовой станции //Инженерный вестник Дона, 2017, № 1. URL: ivdon/ru/magazine/archive/n1y2017/4061.

9. Namgaladze A.A., Zubova Yu.V., Namgaladze A.N. Modelling of the ionosphere/thermosphere behaviour during the April 2002 magnetic storms: A comparison of the UAM results with the ISR and NRLMSISE-00 data // Advances in Space Research.2005. doi:10.1016/j.asr.2005. 04.013.

10. Кораблева И.В., Намгаладзе А.А., Намгаладзе А.Н. Высокоширотная ионосфера в период магнитных бурь 26 октября - 01 ноября 2003 г.: томографические реконструкции и численное моделирование // Геомагнетизм и Аэрономия. 2008. Т.48, №5. с. 671-680.

References

1. Mingalev V.S., Orlova M.I., Mingaleva G.I., Bujanova T.V. Geomagnetizm i aeronomija 1990. № 5. pp. 871-875.

2. Vlaskov G.A., Mozhaev A.M., Ponamarev U.N, Isaev N.V. Variatsii krupnomasshtabnoy struktury F-oblasti vysokoshirotnoy ionosfery, obuslovlennye tipovymi izmeneniyami magnitosfernoy konvektsii [Variations in the large-scale structure of the f-region of the high-latitude ionosphere due to typical

II Инженерный вестник Дона, №2 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4862

magnetospheric convection changes].M: IZMIRAN. Preprint, 1991г. 43(990). 20 p.

3. Tatarskii V.I. Rasprostranenie voln v turbulentnoi atmosphere [Wave propagation in turbulent atmosphere]. М.: Nauka, 1967. 178 p.

4. Sternberg S. Lektsii po differentsialnoi geometrii [Lectures on differential geometry]. M.:Mir. 1970. 126 p.

5. Burtsev A.G., Melnikov A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 2. URL:. ivdon/ru/magazine/archive/n1y2017/2064/2314.

6. Yakovlev O.I., Yakubov V.P., Urjadov V.P., Pavelev A.G. Rasprostranenie radiovoln [Propagation of radio waves]. S.-P.: LENAND, 2009. 496 p.

7. Blagovechenskii D.V., Borisova T.D., Ralinin A.S. Izvestija vuzov. Radiophizika. 2009. v. 52. № 4. Pp. 101 - 112.

8. Yakovlev V.V., Arsenev D.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2017/4061.

9. Namgaladze A.A., Zubova Yu.V., Namgaladze A.N. Advances in Space Research.2005. doi:10.1016/j.asr.2005. 04.013.

10.Korableva I.V., Namgaladze A.A., Namgaladze A.N. Geomagnetizm i aeronomija 2008. V.48, №5. Pp. 671-680.