CC BY
48
УДК 550.510.535
Д. С. Котова, М. В. Клименко, В. В. Клименко, В. Е. Захаров
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОТРАСС В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ 26-29 СЕНТЯБРЯ 2011 ГОДА
Аннотация
Ранее был представлен комплекс прикладных программ, включающий численный алгоритм проведения вычислительных экспериментов с использованием моделей среды и распространения радиоволн. С помощью этого комплекса программ проведено численное моделирование трасс наклонного зондирования ионосферы Ловозеро — Салехард при изменении геомагнитных условий. Показаны полученные в расчетах изменения трасс, максимально применимых частот, высоты отражения, поглощения и длины оптического пути в спокойных условиях в главную фазу бури и в день после окончания геомагнитных возмущений.
Ключевые слова:
трехмерное моделирование радиотрасс, максимально применимая частота,
геомагнитная буря, поглощение, длина оптического пути.
D. S. Kotova, M. V. Klimenko, V. V. Klimenko, V. E. Zakharov
MODELING OF THE RADIO PATH CHARACTERISTICS AT HIGH LATITUDES DURING GEOMAGNETIC DISTURBANCES ON SEPTEMBER 26-29, 2011
Abstract
Earlier it was presented the developed complex of the software applications together with the numerical algorithm of the computational experiments using the models of an environment and radio wave propagation. Using this complex of the programs the simulation of the radio wave paths at oblique sounding of the ionosphere Lovozero — Salekhard during changes in geomagnetic conditions. It is shown the calculated changes in radio paths, the highest applicable frequencies, reflection height, attenuation and length of the optical path for quite conditions, during the main storm phase and in the day after the end of geomagnetic disturbances.
Keywords:
three-dimensional modeling of radio paths, highest applicable frequencies, geomagnetic storm,
the attenuation, length of the optical path.
Введение
За последние десятилетия были достигнуты большие успехи в развитии спутниковой, радиорелейной и сотовой связи. Но, несмотря на это, коротковолновая связь продолжает играть существенную роль как непосредственно для передачи информации по воздуху на большие расстояния, так и для исследования ионосферы. Многие отечественные и зарубежные исследователи моделировали распространение коротких радиоволн в ионосфере в различных условиях, однако до сих пор остается актуальным вопрос о влиянии
геомагнитных бурь на распространение коротких радиоволн в ионосфере. Цель данной работы — посредством численного моделирования показать влияние геомагнитной бури на поведение характеристик высокоширотных радиотрасс.
Методика исследования
Для достижения поставленной цели исследования нами использовался комплекс прикладных программ, включающий численный алгоритм, позволяющий проводить вычислительные эксперименты с использованием моделей среды (эмпирических, ассимиляционных и теоретических, основанных на численном решении системы уравнений, описывающих основные законы сохранения) и распространения радиоволн [1-3]. Этот программный комплекс был дополнен блоком, предназначенным для нахождения трасс между фиксированными точками (излучения и приема) на поверхности Земли. Полагая среду слабонеоднородной, можно воспользоваться приближением геометрической оптики [4] для описания распространения коротких радиоволн. Используемая нами численная модель распространения коротких радиоволн [5] базируется именно на этом приближении. В этой модели показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн выводятся из дисперсионного соотношения для анизотропной ионосферной плазмы [6]. Геомагнитное поле аппроксимируется центральным диполем.
Для расчета комплексных показателей преломления требуется знание параметров ионосферы и нейтральной атмосферы. В данном исследовании эти параметры на высотах от 80 км и выше рассчитывались в глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП, КФ ИЗМИРАН) [7]. При этом мы использовали результаты расчетов отклика ионосферы на последовательность геомагнитных бурь 26-28 сентября 2011 г., ранее полученные в модели ГСМ ТИП. На рис. 1 представлена геомагнитная обстановка в период времени с 24 по 30 сентября 2011 г. Максимальное значение трехчасового ^-индекса геомагнитной активности достигало 6.
24 25 26 27 28 29 30
Сентябрь 2011
Рис. 1. Поведение геомагнитных индексов Dst и Kp, взятых из базы данных Kyoto World Data Center (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/). Вертикальными пунктирными линиями отмечено начало каждых суток
В работе [8] представлено сравнение результатов модельных расчетов с результатами наблюдений для данного события, и оно показало, что
параметры системы термосфера-ионосфера, полученные в модели ГСМ ТИП, можно использовать в качестве параметров среды при решении задач о распространении радиоволн в ионосфере во время наблюдаемой геомагнитной бури. В качестве высокоширотной трассы нами рассматривалась реально существующая трасса наклонного зондирования ионосферы Ловозеро — Салехард [9]. В табл. 1 приведены координаты рассматриваемых станций.
Таблица 1
Координаты станций
Станция Широта Долгота Геомагнитная широта Геомагнитная долгота
Ловозеро 68.00° 35.02° 62.9° 127.4°
Салехард 66.52° 66.67° 57.4° 149.4°
Расчеты проводились для 16:00 ЦТ. В качестве спокойных условий был выбран магнитоспокойный день 24 сентября. Для описания возмущенных условий были выбраны день 26 сентября (соответствовал главной фазе бури) и день 29 сентября (был выбран нами в качестве примера поведения ионосферы после окончания геомагнитных возмущений). На рис. 2 в геомагнитных координатах долгота-широта показаны абсолютные значения электронной концентрации на высоте 110 км и критической частоты слоя V2, а также возмущения этих параметров 26 и 29 сентября в выбранной нами области распространения радиоволн. Видно, что во время бури во всей рассматриваемой области наблюдаются отрицательные эффекты — падение электронной концентрации на высотах К-слоя, тогда как на высоте 110 км формируются области как отрицательных, так и положительных возмущений электронной концентрации. 29 сентября в районе станции Ловозеро вместо отрицательных возмущений, наблюдавшихся в модельных расчетах 26 сентября, виден рост электронной концентрации на высоте 110 км. В этот же день на высотах максимума К-слоя произошло усиление отрицательного эффекта в Ые.
Результаты численных экспериментов и их обсуждение
При изменении угла места, азимута и частоты излучения передатчика были получены результаты, представленные на рис. 3, на котором справа на фоне изолиний электронной концентрации в координатах геомагнитная широта-высота показаны проекции лучевых траекторий, полученные для выбранных частот. Проекции трасс на поверхность Земли не показываются из-за отсутствия их изменений в рассматриваемые дни. Однако при моделировании учитывается трехмерный характер распространения коротких радиоволн в ионосфере. На рис. 3 видно, что во время бури наблюдается падение электронной концентрации в V2-слое, что также хорошо видно на рис. 2. Это приводит к падению максимально применимой частоты (МПЧ) с 11.7 МГц в спокойных условиях до 10.2 МГц в главную фазу бури и до 9.4 МГц в рассматриваемый день после окончания геомагнитных возмущений, а также к росту высоты отражения и увеличению длины односкачковой трассы, что хорошо согласуется с графиками, показанными на рис. 4. Рост высоты отражения во время возмущений и после их окончания по сравнению со спокойными условиями связан с подъемом К-слоя и уменьшением электронной концентрации в максимуме К-слоя.
Ne (104 см-3) h=110км 24.09.2011 16:00 UT >65
foFl (МГц) 24.09.2011 16:00 UT
115 120 125 130 135 140 145
Геомагнитная долгота (град) Д№ (104 скг3) Ь=110км 26.09.2011 16:00 ИТ
115 120 125 130 135 140 145 1501
Геомагнитная долгота (град) А/оГ2 (МГц) 26.09.2011 16:00 ЦТ
65 63 я LovozerU ★ ч У
'61-
59-
57- Gorkovskaya * Salekhard
55-
110 115 120 125 130 135 140 145 150 1 Геомагнитная долгота (град) Д№ (104 см-3) Ь= 110км 29.09.2011 16:00 ИТ >65-
110 115 120 125 130 135 140 145 150 1 Геомагнитная долгота (град) \foF2 (МГц) 29.09.2011 16:00 ИТ
^ 55
110 115
120 125 130 135 140 145 Геомагнитная долгота (град)
^ 55
110 115
120 125 130 135 140 145 1501 Геомагнитная долгота (град)
Рис. 2. Карты изолиний электронной концентрации на высоте 110 км (слева) и
критической частоты К-слоя (справа) в спокойных условиях (вверху) и возмущения этих параметров 26 сентября (посередине) и 29 сентября 2011 г. (внизу). Звездочки показывают положение рассматриваемых станций
На рис. 3 также представлено поведение дифференциального затухания в рассматриваемые дни для одинакового набора частот. В спокойных условиях затухание несколько больше, чем во время бури и в день после окончания геомагнитных возмущений. В целом его изменения незначительны, максимальное интегральное затухание не превышает 2.5 дБ, и рассматриваемая трасса удобна для радиосвязи. Хорошо видна зависимость величины интегрального затухания от частоты и от распространения волны в ионосфере при изменении градиента электронной концентрации: чем меньше частота, тем сильнее поглощается волна при распространении в неотклоняющей области [6], и чем ближе частота волны к МПЧ, тем сильнее поглощение в отклоняющей области [6]. Для МПЧ (черная линия) получился максимальный рост поглощения в окрестности точки поворота.
4 0,04
>0,03
0,02
400
■е-
0,01
4 0,04
60 61 62 Геомагнитная широта (град)
63
0,03
0,02
в
"! 0,01 £
1
в
о
57
58 59 60 61 62 Геомагнитная широта (град)
4 0,04
0,03
0,02
я
"! 0,01 ■в« •в-
ч о
ч-
*ГТа
ТТЛ
57 58 59 60 61 62 Геомагнитная широта (град)
63
400
58 59 60 61 62 Геомагнитная широта (град)
N6 (105 см"3) ■
63
400
58 59 60 61 62 63 Геомагнитная широта (град)
58 59 60 61 62 Геомагнитная широта (град)
— 11.5 МГц
— 11 МГц
— 10.5 МГц 10 МГц
- 9.5 МГц 9МГц 8.5 МГц
— 8 МГц
— 7.5 МГц
Рис. 3. Результаты расчетов радиотрасс (справа) на фоне изолиний электронной концентрации (шкала справа) между двумя высокоширотными станциями,
а также поведение дифференциального затухания (слева), полученное при изменении частоты радиоволны. Вверху показаны результаты расчетов, полученные в спокойных условиях, посредине — в главную фазу бури и внизу — в день после окончания геомагнитных возмущений. Различными цветами показаны результаты расчетов для частот излучения от 7.5 до 11.5 МГц, черным цветом показана МПЧ для трех рассматриваемых дней
Рис. 4 позволяет сделать вывод о том, что во время бури высота отражения в среднем увеличивается на 15 км, волны с теми же частотами глубже проникают в ионосферу из-за уменьшения электронной концентрации. Это, в свою очередь приводит, к увеличению длины оптического пути рассматриваемых односкачковых трасс. 29 сентября из-за дальнейшего уменьшения электронной плотности при приближении к МПЧ растет высота отражения и длина оптического пути по сравнению с результатами, полученными в главную фазу бури. В табл. 2 отражены изменения основных рассматриваемых характеристик радиотрасс в течение трех выбранных дней.
9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 ° ">-' ' »>■> 1и 1и>-
Частота (МГц) Частота (МГц)
Рис. 4. Высота отражения (слева) и длина оптического пути (справа) в зависимости от частоты для спокойных условий (зеленые линии) в главную фазу бури (красные линии) и в день после окончания геомагнитных возмущений (синие линии)
Таблица 2
Изменение характеристик радиотрасс
Дата МПЧ, МГц Высота * отражения , км Оптический * путь, км Интегр. поглощение*, дБ
24.09.2011 11.7 249.3 1468 1.548
26.09.2011 10.2 263.2 1480 1.485
29.09.2011 9.4 266.5 1486 1497
* На 9 МГц.
Выводы
Использование модели ГСМ ТИП позволило учесть изменение параметров среды при переходе от спокойных условий к возмущенным во время геомагнитной бури. Проведенное модельное исследование влияния геомагнитной бури 26-28 сентября 2011 г. на характеристики реально существующей высокоширотной радиотрассы Ловозеро — Салехард показало, что имело место падение МПЧ на 2.3 МГц (с 11.7 МГц в спокойных условиях до 9.4 МГц после окончания геомагнитных возмущений). Также, согласно результатам модельных расчетов, во время бури наблюдался рост высоты отражения (~15 км) и длины оптического пути радиоволны по сравнению со спокойными условиями. Исследование дифференциального затухания показало, что чем ближе частота волны к МПЧ, тем сильнее поглощение в отклоняющей области. В остальном в поведении дифференциального затухания не было замечено существенных изменений. Максимальное значение поглощения получено для спокойных условий. На сайте, представленном в [9], регулярно выкладываются ионограммы наклонного зондирования для рассматриваемой трассы в режиме реального времени. Однако пока мы не располагаем всеми данными, необходимыми для проведения моделирования и сравнения полученных результатов с данными наблюдений за рассматриваемый период.
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-00590 мол_а и гранта РФФИ № 14-05-00578. Работа проводилась в рамках проекта «Физические механизмы формирования реакции верхней атмосферы и ионосферы на процессы в нижней
атмосфере и на поверхности Земли» (Государственное задание Министерства образования и науки РФ, конкурсная часть, задание № 3.1127.2014/К).
Литература
1. Численное моделирование влияния геомагнитной бури 2-3 мая 2010 года на распространение коротких радиоволн в ионосфере / Д. С. Котова [и др.] // Изв. вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57, № 7. C. 519-530.
2. Using IRI and GSM TIP model results as environment for HF radio wave propagation model during geomagnetic storms on September 26-29, 2011 / D. S. Kotova [et al.] // Adv. Space Res. 2015. Vol. 56. P. 2012-2029.
3. Развитие модели распространения коротких радиоволн в ионосфере / Д. С. Котова [и др.] // Химическая физика. 2015. Т. 34, № 12. С. 62-71.
4. Кравцов Ю. А., Орлов Ю. И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с.
5. Захаров В. Е., Черняк А. А. Численная модель расчета радиотрасс коротких радиоволн в ионосфере // Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 3. С. 36-40.
6. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
7. Global Model of the Thermosphere — Ionosphere — Protonosphere System / A. A. Namgaladze [et al.] // Ionospheric Modelling. 1988. P. 219-254. DOI: 10.1007/978-3-0348-6532-6_3.
8. Влияние геомагнитных бурь 26-30 сентября 2011 года на ионосферу и распространение КВ радиоволн. I - ионосферные эффекты / М. В. Клименко [и др.] // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 127, № 2/3. С. 219-254.
9. Ionogram vertical sounding // Department of Geophysics. URL: http://geophys.aari.ru/ionograms.html (дата обращения: 06.05.2016).
Сведения об авторах Котова Дарья Сергеевна
к. ф.-м. н., младший научный сотрудник, Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова; инженер-исследователь, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград E-mail: [email protected]
Клименко Максим Владимирович
к. ф.-м. н., старший научный сотрудник, Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова; доцент, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград E-mail: [email protected]
Клименко Владимир Викторович,
к. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник, Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова,
г. Калининград E-mail: [email protected]
Захаров Вениамин Ефимович
д. ф.-м. н., профессор, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград
E-mail: [email protected]
