CC BY
48
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД
УДК 537.877; 621.372.81.09; 621.3.029.42
А. Е. Сидоренко, Е. Д. Терещенко, П. Е. Терещенко, В. Ф. Григорьев
ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 20 МАРТА 2015 Г.
НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СНЧ-РАДИОВОЛН НА ВЫСОКОШИРОТНЫХ ТРАССАХ
Аннотация
Наблюдалось распространение искусственных радиоволн с частотой 82 Гц в волноводе Земля - ионосфера во время солнечного затмения на частично и полностью затененных трассах протяженностью 450-1200 км. Возбуждение контролировалось путем синхронных измерений поля вблизи передатчика, исключающих влияние ионосферы. Обнаружена вариация амплитуды поля в удаленных точках, близкая по времени к проходящему затмению. Особенности вариаций связаны также с динамикой угла возвышения Солнца. Предварительный анализ показывает, что изменения структуры нижней ионосферы во время затмения могут качественно сводиться к уменьшению эффективной высоты отражения СНЧ-волн. Наблюдаемые эффекты показывают реакцию распространяющегося поля на изменения структуры ионосферной стенки волновода и впервые наблюдались в этом частотном диапазоне во время солнечного затмения.
Ключевые слова:
солнечное затмение, распространение радиоволн, СНЧ, нижняя ионосфера.
A. E. Sidorenko, E. D. Tereshchenko, P. E. Tereshchenko, V. F. Grigoriev
THE INFLUENCE OF THE SOLAR ECLIPSE OF 20 MARCH 2015 ON THE PROPAGATION OF ELF RADIO WAVES IN HIGH LATITUDES
Abstract
We present the results of observations of artificial ELF propagation during the solar eclipse over high-latitude paths with a length up to 1200 km. We found similar variations both in the field amplitude and in solar illumination. We associate this effect with the increase of ionospheric D layer height, as it was observed earlier in the VLF band. These observations provide new empirical data about the reaction of ELF waves on the short-term drastic change in the lower ionosphere.
Keywords:
solar eclipse, radio propagation, ELF, lower ionosphere.
Введение
Основные последствия резкого кратковременного уменьшения солнечного излучения в нижней ионосфере во время солнечного затмения связаны с падением скорости ионизации. Значительной модификации при этом подвергается нижний D-слой ионосферы [1], где в результате создаются условия, близкие к ночным. D-слой ионосферы в дневных условиях является областью, где происходит основное отражение радиоволн диапазонов СНЧ при
68
их распространении в волноводе Земля - ионосфера. Поэтому посредством наблюдений распространения СНЧ-волн во время солнечного затмения можно получать информацию об изменениях свойств .D-области. Большое число таких работ за прошедшие годы было проведено в диапазоне ОНЧ с использованием естественных твик-атмосфериков, а также сигналов СДВ-радиостанций [2-7].
В СНЧ-диапазоне измерения во время солнечных затмений ранее не проводились, хотя известны немногочисленные работы с применением сигналов контролируемого источника на трассах большой протяженности (тысячи километров) при их пересечении линией солнечного терминатора [8, 9]. Представленные далее результаты измерений 20 марта 2015 г. расширяют эмпирические данные о воздействии затмения на нижнюю ионосферу и связанных с этим особенностей распространения радиоволн на область сверхнизких частот.
Описание эксперимента
Аппаратура и география эксперимента
Источник СНЧ-излучения располагался в северной части Кольского полуострова и представлял собой горизонтальный заземленный электрический диполь, ориентированный вдоль географической широты [8, 10]. Во время наблюдений генерировался СНЧ-сигнал с частотой 82 Гц при постоянной амплитуде тока в антенне.
Прием излучаемого сигнала производился одновременно в четырех точках (рис.1): Баренцбург, Ловозеро, Лехта и Петрозаводск. При этом обс. Ловозеро, удаленная от источника на расстояние порядка высоты ионосферы, использовалась для контроля условий возбуждения поля, поскольку СНЧ-поле на таком расстоянии практически не испытывает влияния ионосферы.
Рис.1. Карта-схема эксперимента
69
Измерения выполнялись в течение трех дней - 19-21 марта 2015 г., для того чтобы, помимо наблюдения эффекта солнечного затмения, впоследствии сопоставить результаты с двумя контрольными случаями в невозмущенных условиях. Для анализа полученных данных были выбраны одинаковые промежутки времени 9-12 UT.
Результаты измерений
Контрольные измерения магнитного поля в обс. Ловозеро
Для контроля условий возбуждения поля в волноводе Земля - ионосфера одновременно с измерениями в удаленных точках производились измерения магнитного поля вблизи источника - в обс. Ловозеро, где влиянием ионосферы еще можно пренебречь. Измерения показали, что за весь период наблюдений относительные вариации амплитуды генерируемого источником поля не превышали 1 %.
Результаты измерений поля в удаленных точках
На диаграмме (рис.2) показаны нормированные кривые вариаций амплитуды поля СНЧ-источника в пунктах Баренцбург, Лехта и Петрозаводск в период солнечного затмения 20 марта 2015 г. с 9 до 12 UT. Видно, что измеренные в удаленных точках амплитуды магнитного поля СНЧ-источника испытывают вариацию, по времени совпадающую с прохождением солнечного затмения в области измерений. Во всех пунктах устойчивое убывание амплитуды начинается в 9.30 UT, затем в промежутке 10.15-10.40 достигается минимум и начинается возрастание - примерно до 11.20 UT. Также обращает на себя внимание немонотонное поведение поля в промежутке 9.00-9.30, соответствующем начальной фазе затмения во всех пунктах наблюдений. При этом в обс. Баренцбург эта особенность наблюдается более явно.
Рис.2. Амплитуда сигнала 20.03.15 в обс. Баренцбург (а), Лехта (б), Петрозаводск (в). Обозначения: маркеры - данные измерений; кривые - результат сглаживания
70
Обсуждение результатов
Значительное уменьшение потока солнечного излучения во время затмения меняет концентрацию электронов в ионосферном слое D и нижней части слоя E, определяющих свойства волновода Земля - ионосфера в СНЧ-диапазоне. Резкое падение концентрации заряженных частиц вследствие уменьшения солнечной освещенности увеличивает действующую высоту отражающего ионосферного слоя, что наблюдалось, например, в исследованиях шумановского резонанса при смене дня и ночи [11].
Из известных формул для СНЧ-полей в волноводе Земля - ионосфера можно видеть, что увеличение высоты ионосферы приближенно обратно пропорционально уменьшает амплитуду компонент, что наблюдалось и в эксперименте. Минимумы амплитуды поля во всех пунктах наблюдались близко по времени к максимальной фазе затмения - в промежутке 10.10-10.35 UT.
Как видно на рис.2, сравнительно большое уменьшение амплитуды поля относительно начальной величины (на 9.30 UT) наблюдалось в Баренцбурге -11-12 %, а в Лехте и Петрозаводске оно было практически одинаковым и составило 8-9 %. Кроме того, в поведении поля отчетливо видна зависимость от изменения угла возвышения за время измерений. В Петрозаводске и Лехте высота Солнца менялась очень мало, поскольку измерения практически совпали с местным астрономическим полуднем. В Баренцбурге Солнце поднялось на 3°, что при малых углах возвышения дает значимый эффект в освещенности и влияет на условия распространения СНЧ-волн.
Заключение
Измерения в областях как частичного, так и полного затмения показали, что амплитуда поля источника во время затмения изменялась на 10 % практически синхронно с перекрытием Солнца Луной. Уменьшение солнечной радиации замедляет фотоионизацию в нижней ионосфере, меняя структуру волновода. Многочисленные предшествующие работы в СДВ-диапазоне показали, что это выражается главным образом в увеличении эффективной высоты отражения СНЧ-волн в D-области ионосферы. Результаты измерений в нашем эксперименте качественно подтверждают такой механизм. В дальнейшем целесообразно более детально рассмотреть изменение профиля концентрации электронов во время затмения на высотах области E и в верхней части D-слоя, где ионизация солнечной радиацией является преобладающей. Также во время наблюдения затмения в обс. Баренцбург было отмечено изменение амплитуды СНЧ-поля, связанное с увеличением угла возвышения Солнца. Полученные результаты отражают чувствительность радиоволн СНЧ-диапазона, распространяющихся в волноводе Земля - ионосфера, к состоянию ионосферы и ее изменениям при изменении условий освещенности Солнцем и показывают потенциальные преимущества использования контролируемых СНЧ-источников для мониторинга состояния ионосферы.
Литература
1. Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика: пер. с англ. Ч. 2. М.: Мир, 1975. 512 с.
2. Crary J. H., Schneible D. E. Effect of the eclipse of 20 July 1963 on VLF signals propagating over short paths // Radio Sci. 1965. 69D, No. 7. P. 947-957.
71
3. Total solar eclipse effects on VLF signals: Observations and modeling /
M. Clilverd, C. J. Rodger, N. R. Thomson, J. Lichtenberger, P. Steinbach, P. Cannon, M. J. Angling // Radio Sci. 2001. Vol. 36, No. 4. P. 773-788.
4. Effects of a solar eclipse on the propagation of VLF-LF signals: Observations and results / B. K. De, S. S. De, B. Bandyopadhyay, P. Pal, R. Ali, S. Paul, P. K. Goswami // Terr. Atmos. Ocean. Sci. 2011 Vol. 22. P. 435-442, doi: 10.3319/TAO.201L0U7.01(AA).
5. D-region ionosphere response to the total solar eclipse of 22 July 2009 deduced from ELF-VLF tweek observations in the Indian sector / R. Singh,
B. Veenadhari, A. K. Maurya, M. B. Cohen, S. Kumar, R. Selvakumaran, P. Pant, A. K. Singh, U. S. Inan // J. Geophys. Res. 2011. 116, A10301, doi :10.1029/2011JA016641.
6. Spectral character of VLF sferics propagating inside the Earth-ionosphere waveguide during two recent solar eclipses / A. Guha, B. K. De, A. Choudhury, R. Roy // J. Geophys. Res. 2012. 117, A04305, doi:10.1029/2011JA017498.
7. Han F., Cummer S. A. Midlatitude daytime D region ionosphere variations measured from radio atmospherics // J. Geophys. Res. 2010. 115, A10314, doi:10.1029/2010JA015715.
8. Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Ханхараев А. В. Анализ условий распространения СНЧ-радиоволн на трассе "Зевс" - Забайкалье // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 12. С. 1017-1026.
9. Nickolaenko A. P. Diurnal pattern of ELF radio signal detected at the “Bellinshausen” Antarctic Station // Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies: The Sixth International Kharkov Symposium (25-30 June 2007). Vol. 2. Р. 760-762.
10. Изменения фазы магнитного поля в СНЧ диапазоне на разломной тектонике / Е. Д. Терещенко, С. В. Полуянов, В. Ф. Григорьев, П. Е. Терещенко, А. Е. Сидоренко // Физика Земли. 2012. № 7. С. 1-7.
11. Williams E. R., Satori G. Solar radiation-induced changes in ionospheric height and the Schumann resonance waveguide on different timescales // Radio Sci.
2007. 42, RS2S11, doi:10.1029/2006RS003494.
Сведения об авторах
Сидоренко Антон Евгеньевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Мурманск,
anton@pgi.ru
Терещенко Евгений Дмитриевич,
д.физ.-мат.н., Полярный геофизический институт, г. Мурманск, evgteres@pgi.ru
Терещенко Павел Евгеньевич,
к.физ.-мат.н.Санкт-Петербургский филиал ФГБУН СПбФ ИЗМИР АН,
г. Санкт-Петербург, tereshchenko@gmail.com
Григорьев Валерий Федосеевич,
Полярный геофизический институт, г. Мурманск, valgri@pgi.ru
72
