CC BY
70
УДК 550.385.4
В. Б. Белаховский, Я. Джин, В. Милош
СРАВНЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА СЦИНТИЛЛЯЦИИ GPS-СИГНАЛОВ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ
Аннотация
В работе произведено сравнение воздействия высыпаний заряженных частиц и «патчей» полярной шапки, характеризующихся резким увеличением концентрации в F-области ионосферы, на сцинтилляции GPS-сигналов. Использован сцинтилляционный GpS-приемник на станции NYA. Наличие высыпаний заряженных частиц и «патчей» полярной шапки определялось по данным радара EISCAT на Шпицбергене. Рассмотрены различные виды высыпаний: дневные и утренние высыпания, высыпания в ночном секторе во время суббури, высыпания, связанные с приходом межпланетной ударной волны. Все рассмотренные типы ионосферных возмущений приводят к росту фазового индекса сцинтилляций Оф. Однако высыпания во время суббурь приводят к наибольшему росту фазового индекса сцинтилляций (до 3 рад).
Ключевые слова:
ионосфера, GPS-приемники, полярные сияния, авроральный овал, радар некогерентного рассеяния.
V. B. Belakhovsky, Y. Jin, W. Miloch
THE COMPARISION OF THE INFLUENCE OF DIFFERENT TYPES OF IONOSPHERE DISTURBANCES ON SCINTILLATIONS OF GPS SIGNALS AT HIGH LATITUDES
Abstract
In this work it is conducted the comparison of the influence of charge particles precipitation and polar cap patches characterized by the abrupt increase of the density in F region of the ionosphere on scintillations of GPS signals. The scintillation GPS receiver at NYA station was used. The presence of the charge particle precipitation and polar cap patches was determined by the EISCAT radar (Svalbard) data. It is considered different types of the precipitations: the dayside and morning precipitations, the precipitations on the nightside during the substorms, the precipitations associated with the arrival of interplanetary shock wave. All of the considered types of the ionosphere disturbances lead to the growth of the phase scintillation index Оф. But the precipitation during the substorm leads to the greatest growth of the phase scintillation index (up to the 3 radian).
Keywords:
ionosphere, GPS receiver, aurora, auroral oval, incoherent scatter radar. Введение
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) играют все большую роль для современной цивилизации. Однако ионосфера как среда для распространения радиоволн способна оказывать негативное влияние на качество принимаемого сигнала. Неоднородности в распределении ионосферной плазмы могут приводить к быстрым флуктуациям амплитуды и фазы сигнала, которые
принято называть ионосферными сцинтилляциями (или мерцаниями мерцаниями) [1]. Сильные сцинтилляции могут приводить к ухудшению качества сигнала и даже к его потере. Поэтому исследование ионосферных сцинтилляций является важным аспектом космической погоды. Ионосферные сцинтилляции наиболее сильны в высоких и экваториальных широтах. Уровень сцинтилляций характеризуется фазовым оф и амплитудным (S4) индексами сцинтилляций. Амплитудные сцинтилляции вызваны неоднородностями размером от десятков до сотен метров. Фазовые же сцинтилляции вызваны неоднородностями размером от сотен метров до нескольких километров. Для высокоширотных областей ионосферы больше характерны фазовые сцинтилляции.
В полярной ионосфере наиболее мощными возмущениями являются высыпания заряженных частиц и «патчи» полярной шапки (polar cap patch — PCP). PCP представляют собой локальное возрастание ионосферной концентрации выше 200 км. Размер данных образований в поперечном направлении составляет примерно от 100 до 1000 км. Известно, что появление PCP связано с увеличением интенсивности полярных сияний в эмиссии 630.0 нм [2]. Происхождение «патчей» полярной шапки связано с пересоединением силовых линий на дневной стороне магнитосферы и проникновение плазмы через область открытых силовых линий в полярную ионосферу [3].
В работе [4] было показано, что помимо высыпаний «патчи» полярной шапки также способны приводить к заметному росту сцинтилляций GPS сигналов.
Целью данной работы является сравнение степени воздействия высыпаний заряженных частиц и «патчей» полярной шапки на уровень сцинтилляций GPS-сигналов.
Данные
В работе были использованы данные сцинтилляционного GPS-приемника на станции NYA (арх. Шпицберген). Из данных GPS-приемника вычислялся амплитудный и фазовый индекс сцинтилляций оф, полное электронное содержание ионосферы. Типы ионосферных возмущений определялись из вариаций концентрации по данным радара некогерентного рассеяния EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген. Луч радара направлен вдоль геомагнитного поля. Для характеристики вариаций геомагнитного поля использованы данные магнитометров IMAGE. Для наблюдения за параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) использованы данные базы OMNI.
Результаты наблюдений
Было проанализировано более 100 случаев за 2010-2016 гг., когда имелись синхронные наблюдения на радаре EISCAT 42m и на GPS-приемнике (NYA). В данной работе приведено только ряд типичных примеров.
Наличие высыпаний заряженных частиц определялось по данным радара EISCAT как увеличение концентрации в диапазоне высот 100-200 км. Рассматривались различные виды высыпаний: высыпания в утреннем и дневном секторе, ночные суббуревые высыпания, высыпания, связанные с приходом межпланетной ударной волны (МУВ). «Патчи» полярной шапки идентифицировались как резкое увеличение концентрации выше 200 км.
Анализ данных показал, что амплитудный индекс сцинтилляций (S4) практически не изменялся во время рассматриваемых возмущений. Поэтому основное внимание было уделено фазовому индексу сцинтилляций аф. На рис. 1 (слева) показано наличие высыпаний заряженных частиц в утреннем, дневном секторе. На второй панели разными цветами показан фазовый индекс сцинтилляций, вычисленный для различных GPS спутников, пролетающих в различные моменты времени вблизи приемника на станции NYA. Фазовый индекс достигает значений около 0,4 рад для высыпаний в утреннем, дневном секторе.
Í) JanuatJ Ü01Ö. SvaLbard. 42m. 20 January 2014. Svalbard. 42m.
Рис. 1. Концентрация ионосферной плазмы по данным радара EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген, фазовый индекс по данным GPS приемника на станции NAL, X-компонента геомагнитного поля по данным станции NAL для 9 января 2016 г. (слева), для 20 января 2014 г. (справа)
На рис. 1 (справа) показан случай с «патчами» полярной шапки. Они идентифицируются как резкое увеличение концентрации выше 200 км в интервалах времени 08-10 UT, 17-24 UT. Фазовый индекс около 09 UT достигает значения около 0,9 рад. По данным базы OMNI, Bz-компонента межпланетного магнитного поля в течение нескольких часов имела отрицательные значения.
Во время высыпаний заряженных частиц, связанных с суббурей (рис. 2), фазовый индекс сцинтилляций достигает значений около 3 рад. Величина суббури достигала более 1000 нТл на станции HOR (рис. 3). На станции NOR (67,73°) суббури уже практически не видно.
Для события, связанного с приходом межпланетной ударной волны, 14 декабря 2015 г. не было данных радара EISCAT. Однако хорошо известно, что данные события сопровождаются высыпанием в ионосферу заряженных частиц от единиц до сотен килоэлектронвольт [5]. Фазовый индекс сцинтилляций для данного типа высыпаний достигал значений менее 1.
Таким образом, анализ данных показал, что наибольших значений фазовый индекс сцинтилляций аф достинает во время высыпаний заряженных частиц во время суббурь.
Рис. 2. Концентрация ионосферной плазмы по данным радара EISCAT, фазовый
индекс сцинтилляций, вариации X-компоненты геомагнитного поля на станции NAL
Рис. 3. Вариации X-компоненты геомагнитного поля по данным меридионального профиля станций NOR-BJN-HOR-LYR-NYA
Рис. 4. Фазовый индекс сцинтилляций по данным GPS-приемника на станции NYA; параметры солнечного ветра по данным базы OMNI: скорость, плотность, модуль геомагнитного поля, температура; SYM-H индекс
Заключение
Таким образом, показано, что как высыпания в ионосферу заряженных частиц, так и «патчи» полярной шапки приводят к росту фазового индекса сцинтилляций, определяемого по данным GPS-приемника на станции NAL (арх. Шпицберген). Однако максимальных значений (около 3) фазовый индекс сцинтилляций достигает во время высыпаний, связанных с суббурей.
Благодарность. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-35-60049 мол_а_дк.
Литература
1. Basu S., K. M. Groves, S. Basu, P.J. Sultan. Specification and forecasting of scintillations in communication/navigation links: Current status and future plans, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(16), 1745-1754. 2002.
2. Hosokawa, K., K. Shiokawa, Y. Otsuka, A. Nakajima, T. Ogawa, and J. D. Kelly, Estimating drift velocity of polar cap patches with all-sky airglow imager at Resolute Bay, Canada // Geophys. Res. Lett., 33, L15111, doi:10.1029/2006GL026916. 2006
3. Lorentzen, D. A., J. Moen, K. Oksavik, F. Sigernes, Y. Saito, and M. G. Johnsen , In situ measurement of a newly created polar cap patch // J. Geophys. Res., 115, A12323, doi: 10.1029/2010JA015710. 2010.
4. Jin Y., Moen J., Miloch W. GPS scintillation effects associated with polar cap patches and substorm auroral activity: direct comparison // J. Space Weather Space Clim. 4. A23. 2014.
5. Zhou X-Y, Strangeway RJ, Anderson PC, Sibeck DG, Tsurutani BT, Haerendel G, Frey HU, Arballo JK. Shock aurora: FAST and DMSP observation // J. Geophys. Res. 108:8019. doi:10.1029/2002JA009701. 2003.
Сведения об авторах
Белаховский Владимир Борисович
к. ф.-м. н., н. с., Институт физики Земли РАН, Москва E-mail: belakhov@mail.ru
Джин Ячи
Phd, postdoc, Университет Осло, Осло Милош Войчех
PhD, профессор, зав. отделом, Университет Осло, Осло
