CC BY
14
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.161 -166 УДК 550.385.4
В. Б. Белаховский, Я. Джин, В. Милош
СРАВНЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СУББУРЕВЫХ ВЫСЫПАНИЙ И ПАТЧЕЙ ПОЛЯРНОЙ ШАПКИ НА СИГНАЛЫ GPS СПУТНИКОВ В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ
Аннотация
В работе произведено сравнение воздействия суббуревых 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, данным оптических наблюдений полярных сияний. Суббуревые высыпания приводят к более заметному росту фазового индекса сцинтилляций (до ~ 2 радиан). «Патчи» полярной шапки приводят к вполне сопоставимым значениям ROT (rate of TEC), как и суббури. Суббуревые высыпания и патчи полярной шапки приводят к развитию ионосферных неоднородностей различных масштабов. Амплитудный индекс сцинтилляций изменялся очень слабо во время данных ионосферных возмущений.
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 SUBSTORM PRECIPITATIONS AND POLAR CAP PATCHES ON GPS SATELLITES SIGNALS AT POLAR LATITUDES
Abstract
In this work it is conducted the comparison of the influence of substorm 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, optical observations of the aurora. All of the considered types of the ionosphere disturbances lead to the growth of the phase scintillation index a$. But the precipitation during the substorm leads to the greatest growth of the phase scintillation index (up to the 2 radian). The substorm precipitations lead to the strongest growth of the phase scintillation index (up to 3 radians). Polar cap patches lead to the quite comparable values of the ROT (rate of TEC) as substorms. So substorm precipitations and polar cap patches lead to development of the ionosphere irregularities with different spatial scale. Amplitude scintillation index practically have no substantial changes during these ionosphere disturbances.
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 [2]. 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 [3]. Происхождение «патчей» полярной шапки связано с пересоединением силовых линий на дневной стороне магнитосферы и проникновение плазмы через область открытых силовых линий в полярную ионосферу [4]. В работе [5] было показано, что помимо высыпаний «патчи» полярной шапки также способны приводить к заметному росту сцинтилляций.
Целью данной работы является сравнение степени воздействия суббуревых 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. Из данных по полному электронному содержанию (ПЭС, TEC) ионосферы вычислялась производная (rate of TEC). Типы ионосферных возмущений определялись из вариаций концентрации по данным радара некогерентного рассеяния EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген. Луч радара направлен вдоль геомагнитного поля. Использованы данные камеры всего неба на станции NYA для регистрации интенсивности полярных сияний. 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 порядка 50 случаев за 2010-2017 гг., когда имелись синхронные наблюдения на радаре ЕКСАТ 42т и на GPS-приемнике (NYA). В данной работе приведен только ряд типичных примеров. Наличие высыпаний заряженных частиц определялось по данным радара ЕКСАТ как увеличение концентрации в диапазоне высот 100-200 км. «Патчи» полярной шапки идентифицировались как резкое увеличение концентрации выше 200 км.
Рис. 1. Концентрация ионосферной плазмы по данным радара EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген; фазовый индекс и амплитудный индекс сцинтилляций, ПЭС ионосферы, производная ПЭС по данным GPS приемника на станции NYA; X-компонента геомагнитного поля по данным станции NYA
Fig. 1. The ionosphere plasma density according to the EISCAT 42m radar data on Svalbard; the phase and amplitude scintillation index, TEC of the ionosphere, rate of TEC according to the GPS receiver on NYA station; X-component of the geomagnetic field on NYA station
Анализ данных показал, что амплитудный индекс сцинтилляций ^4) практически не изменялся во время рассматриваемых возмущений. Поэтому
основное внимание было уделено фазовому индексу сцинтилляций оф, а также ROT.
На рис. 1 показаны суббуревые возмущения 11 декабря 2015 года. Это была полярная суббуря без магнитной бури. Величина суббури достигала более 1000 нТл на станции HOR. Суббуря привела к высыпанию заряженных частиц в ионосферу и резкому увеличению концентрации ионосферной плазмы (более, чем на порядок) в интервале высот 100-250 км по данным радара EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген в 16 UT и в 20 UT.
is 19 го г1 гг
ит
Рис. 2. Концентрация ионосферной плазмы по данным радара EISCAT 42m на архипелаге Шпицберген; фазовый индекс сцинтилляций, ПЭС ионосферы, производная ПЭС по данным GPS приемника на станции NYA; X-компонента геомагнитного поля по данным станции NYA 4 декабря 2013 в
интервале 18-22 UT
Fig. 2. The ionosphere plasma density according to the EISCAT 42m radar data on Svalbard; the phase scintillation index, TEC of the ionosphere, rate of TEC according to the GPS receiver on NYA station; X-component of the geomagnetic field on NYA station on 4 December 2013 at 18-22 UT
На второй панели рис. 1 разными цветами показан фазовый индекс сцинтилляций, вычисленный для различных GPS спутников, пролетающих в различные моменты времени вблизи приемника на станции NYA. Во время высыпаний заряженных частиц, связанных с суббурей, фазовый индекс
сцинтилляций достигает значений около 1.5 рад в 16 UT. Для суббури в 20 UT оф достигал значений около 0.7 рад. Видимо, это связано с тем, что вторая суббуря привела к менее резкому увеличению концентрации ионосферной плазмы. Интересно, что в момент суббури в 16 UT наблюдается пробел в данных по ПЭС ионосферы. Видимо, ионосферное возмущение было настолько мощное, что привело к пробелу в данных GPS спутников в момент суббури. Для суббури в 20 UT значения ROT достигали 5 TECU/ мин.
На рис. 2 показан случай с «патчами» полярной шапки. Они идентифицируются как резкое увеличение концентрации выше 200 км в интервалах времени 20-22 UT по данным радара EISCAT. Фазовый индекс около 09 UT достигает значения около 0,8 рад. Во время появления PCP происходит увеличение TEC примерно с 10 до 25 TECU. При этом ROT во время PCP также достигает высоких значений (около 5 TECU/мин), как и для суббури. По данным базы OMNI, Bz-компонента межпланетного магнитного поля в течение нескольких часов имела отрицательные значения, что свидетельствует о проникновении плазмы солнечного ветра через область открытых силовых линий в ионосферу. О проникновении плазмы через область полярной шапки свидетельствует распространение пятен полярных сияний в эмиссии 630.0 нм с высоких широт к более низким, как видно из кеограммы на рис. 3 примерно с 19 до 24 UT.
Рис. 3. Кеограмма полярных сияний в эмиссии 630.0 нм по данным камеры всего неба на станции NYA для 4 декабря 2013 года
Fig. 3. Keogramm of the aurora in 630.0 nm emission lines according to the all-sky camera on NYA station for the 4 December 2013
Анализ всех событий показал, что в целом наибольших значений фазовый индекс сцинтилляций оф достигает во время высыпаний заряженных частиц, связанных с суббурями (1.5-2 рад). Во время «патчей» полярной шапки оф также возрастает, но достигает меньших значений (0.7-0.8 рад). При этом как
суббуревые высыпания, так и «патчи» полярной шапки приводят к вполне сопоставимому росту ROT (около 5 TECU/мин). Амплитудный индекс сцинтилляций слабо изменялся во время данных ионосферных возмущений.
Заключение
Таким образом, показано, что как суббуревые высыпания заряженных частиц, так и «патчи» полярной шапки приводят к росту фазового индекса сцинтилляций оф, определяемого по данным GPS-приемника на станции NYA (архипелаг Шпицберген). Однако максимальных значений (около 2 рад) фазовый индекс сцинтилляций достигает во время высыпаний, связанных с суббурей. Во время регистарции «патчей» полярной шапки оф достигал значений 0.7-0.8 рад. При этом как суббуревые высыпания, так и «патчи» полярной шапки приводят к вполне сопоставимым вариациям полного электронного содержания ионосферы (ROT). По всей видимости, суббуревые высыпания и патчи полярной шапки приводят к развитию ионосферных неоднородностей различных масштабов.
Литература
1. Basu S., K. M. Groves, S. Basu, P.J. Sultan. Specification and forecasting ofscintillations in communication/navigation links: Current status and future plans // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2002. 64(16), 1745-1754.
2. Kintner P.M., Ledvina B.M., De Paula E.R. GPS and ionospheric scintillations // Space Weather. 2007. 5(9): DOI: 10.1029/2006sw000260.
3. 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. 2006. 33, L15111.
4. 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. 2010. 115, A12323, doi: 10.1029/2010JA015710.
5. 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. 2014. 4. A23.
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
