Анализ дневных среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по двумерным картам вариаций полного электронного содержания и ионограммам
Шерстюков Р.О., Акчурин А.Д.
Казанский Приволжский федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия
Аннотация
Плотная сеть приемников (более 150 шт.) глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), использованная для построения двумерных карт вариаций полного электронного содержания (ПЭС) с высоким разрешением, применена к анализу среднеширотных среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (СМ ПИВ). Впервые дневные СМ ПИВ в форме их основной сигнатуры (полосчатой структуры) на таких картах с высоким пространственным разрешением сопоставлены с данными ионозонда с высоким временным разрешением. На примере двух наиболее ярких случаев движущихся к юго-востоку возмущений ПЭС и эволюции следа F-слоя на ионограммах показана согласованность их изменений. Так, вариация критической частоты строго противофазна отклонениям ПЭС. Во время расположения над ионозондом полосчатой структуры с уменьшенным плазменным содержанием (по данным ПЭС-карт) критическая частота F-слоя повышается и, наоборот, во время расположения полосчатой структуры с повышенным плазменным содержанием критическая частота убывает. Обсуждаются два возможных объяснения данного эффекта. Одним из объяснений может быть большая наклонность радиолуча от вертикали во время расположения над ионозондом полосы с повышенным плазменным содержанием, о чем свидетельствует отсутствие кратных отражений и повышенная частота появления дополнительных каспообразных следов. Другим возможным объяснением может быть перераспределение электронного содержания во внешней ионосфере с небольшим снижением концентрации в пике F-слоя при небольшом увеличении ПЭС вдоль луча спутник – приемник. Анализ вариаций критической частоты показал, что наблюдаемым вариациям ПЭС 0.4 и 0.8 TECU, связанным с СМ ПИВ, соответствуют относительные вариации электронной концентрации в пике F-слоя, равные 13% и 28% соответственно.
Ключевые слова: ионосфера, среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения, неоднородности ионсферной плазмы, F2-слой, двумерные карты вариаций полного электронного содержания, ионозонд, GPS/GLONASS
Благодарности. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности (№ 3.7400.2017/8.9), и за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Литература
1. Georges T.M. HF Doppler studies of traveling ionospheric disturbances // J. Atmos. Terr. Phys. – 1968. – V. 30, No 5. – P. 735–736.
2. Bowman G.G. Movements of ionospheric irregularities and gravity waves // J. Atmos. Terr. Phys. – 1968. – V. 30, No 5. – P. 721–734.
3. Bowman G.G. Ionization troughs below the F2-layer maximum // Planet. Space Sci. – 1969. – V. 17, No 5. – P. 777–796.
4. Bowman G.G., Dunne G.S. Some initial results on mid-latitude spread-F irregularities using a directional ionosonde // J. Atmos. Terr. Phys. – 1981. – V. 43, No 12. – P. 1295–1307.
5. Petrova I.R., Bochkarev V.V., Teplov V.Yu, Sherstyukov O.N. The daily variations of Doppler frequency shift of ionospheric signal on middle-latitude radio lines // Adv. Space Res. – 2007. – V. 40, No 6. – P. 825–834.
6. Seker I., Livneh D.J., Mathews J.D. A 3-D empirical model of region Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbance bands using incoherent scatter radar and all-sky imaging at Arecibo // J. Geophys. Res. – 2009. – V. 114, No A6. – Art. A06302, P. 1–10. – doi: 10.1029/2008JA014019.
7. Semeter J., Butler T., Heinselman C., Nicolls M., Kelly J., Hampton D. Volumetric imaging of the auroral ionosphere: Initial results from PFISR // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. – 2009. – V. 71, No 6–7. – P. 738–743. – doi: 0.1016/j.jastp.2008.08.014.
8. Shiokawa K., Otsuka Y., Ihara C., Ogawa T., Rich F.J. Ground and satellite observations of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbance at midlatitude // J. Geophys. Res. – 2003. – V. 108, No A4. – Art. 1145, P. 1–13. – doi: 10.1029/2002JA009639.
9. Otsuka Y., Suzuki K., Nakagawa S., Nishioka M., Shiokawa K., Tsugawa T. GPS observations of medium-scale traveling ionospheric disturbances over Europe // Ann. Geophys. – 2013. – V. 31 – P. 163–172. – doi: 10.5194/angeo-31-163-2013.
10. Zakharenkova I., Astafyeva E., Cherniak I. GPS and GLONASS observations of large-scale traveling ionospheric disturbances during the 2015 St. Patrick's Day storm // J. Geophys. Res. Space Phys. – 2016. – V. 121, No 12. – P. 12,138–12,156. – doi: 10.1002/2016JA023332.
11. Perkins F. Spread F and ionospheric currents // J. Geophys. Res. – 1973. – V. 78, No 1. – P. 218–226.
12. Kelley M.C., Makela J.J. Resolution of the discrepancy between experiment and theory of midlatitude F-region structures // Geophys. Res. Lett. – 2001. – V. 28, No 13. – P. 2589–2592.
13. Yokoyama T., Hysell D., Otsuka Y., Yamamoto M. Three dimensional simulation of the coupled Perkins and -layer instabilities in the nighttime midlatitude ionosphere // J. Geophys. Res. – 2009. – V. 114, No A3. – Art. A03308, P. 1–16. – doi: 10.1029/2008JA013789.
14. Yokoyama T., Hysell D.L. A new midlatitude ionosphere electrodynamics coupling model (MIECO): latitudinal dependence and propagation of mediumscale traveling ionospheric disturbances // Geophys. Res. Lett. – 2010. – V. 37, No 8. – Art. L08105, P. 1–5. – doi: 10.1029/2010GL042598.
15. Akchurin A.D., Sherstyukov O.N., Zykov E.Yu. The influence of lower atmosphere dynamics on the mid-latitude sporadic E-layer // Adv. Space Res. – 1997. – V. 20, No 6. – P. 1309–1312.
16. Fahrutdinova A.N., Sherstyukov O.N., Yasnitsky D.S. The influence of the irregular movements in the lower thermosphere on the ionospheric Es-Layer by radiometeor observations in Kazan (N, E) // Phys. Chem. Earth (C). – 2001. – V. 26, No 6. – P. 445–448. – doi: 10.1016/S1464-1917(01)00028-9.
17. Sherstyukov O.N., Ryabchenko E.Yu. Synoptic oscillations in the parameters of the midlatitude sporadic E layer // Geomagnetism and Aeronomy – 2004. – V. 44, No 5. – P. 610–616.
18. Otsuka Y., Onoma F., Shiokawa K., Ogawa T., Yamamoto M., Fukao S. Simultaneous observations of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances and region field-aligned irregularities at midlatitude // J. Geophys. Res. – 2007. – V. 112, No A6. – Art. A06317, P. 1–9. – doi: 10.1029/2005JA011548.
19. Saito S., Yamamoto M., Hashiguchi H., Maegawa A., Saito A. Observational evidence of coupling between quasi-periodic echoes and medium scale traveling ionospheric disturbances // Ann. Geophys. – 2007. – V. 25, No 10. – P. 2185–2194. – doi: 10.5194/angeo-25-2185-2007.
20. Morgan M.G., Calderon C.H.J., Ballard K.A. Techniques for the study of TID's with multistation rapid-run ionosondes // Radio Sci. – 1978. – V. 13, No 4. – P. 729–741. – doi: 10.1029/RS013i004p00729.
21. Williams P.J.S., Virdi T.S., Lewis R.V., Lester M., Rodger A.S., McCrea I.W., Freeman K.S.C. Worldwide atmospheric gravity-wave study in the European sector 1985–1990 // J. Atmos. Terr. Phys. – 1993. – V. 55, No 4–5. – P. 683–696.
22. Habarulema J.B., Katamzi Z.T., McKinnell L.-A. Estimating the propagation characteristics of large-scale traveling ionospheric disturbances using ground-based and satellite data // J. Geophys. Res. Space Physics – 2013. – V. 118, No 12. – P. 7768–7782. – doi: 10.1002/2013JA018997.
23. Ding F., Wan W., Ning B., Zhao B., Li Q., Wang Y., Hu L., Zhang R., Xiong B. Observations of poleward-propagating large-scale traveling ionospheric disturbances in southern China // Ann. Geophys. – 2013. – V. 31, No 2. – P. 377–385. – doi: 10.5194/angeo-31-377-2013.
24. Bowman G.G. A review of some recent work on mid-latitude spread-F occurrence as detected by ionosondes // J. Geomag. Geoelectr. – 1990. – V. 42, No 2. – P. 109–138.
25. Lobb R.J., Titheridge J.E. The effects of travelling ionospheric disturbances on ionograms // J. Geophys Res. – 1977. – V. 39, No 2. – P. 129–138.
26. Akchurin A.D., Bochkarev V.V., Ildiryakov V.R., Usupov K.M. TID selection and research of its characteristics on ionograms // 30th URSI General Assembly and Scientific Symposium. – 2011. – P. 1–4. – doi: 10.1109/URSIGASS.2011.6050965.
27. Cooper J., Cummack C.H. The analysis of a travelling ionospheric disturbance with non-linear ionization response // J. Atmos. Terr. Phys. – 1986. – V. 48, No 1. – P. 61–71.
28. Tsugawa T. , Otsuka Y., Coster A.J., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances detected with dense and wide TEC maps over North America // Geophys Res. Let. – 2007. – V. 34, No 22. – Art. L22101, P. 1–5. – doi: 10.1029/2007GL031663.
29. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. – Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. – 480 с.
30. Kotake N., Otsuka Y., Ogawa T., Tsugawa T., Saito A. Statistical study of medium-scale traveling ionospheric disturbances observed with the GPS networks in Southern California // Earth Planet. Sp. – 2007. – V. 59, No 2. – P. 95–102. – doi: 10.1186/BF03352681.
31. Evans J.V., Holt J.M., Wand R.H. A differential-Doppler study of traveling ionospheric disturbances from Millstone Hill // Radio Sci. – 1983. – V. 18, No 3. – P. 435–451. – doi: 10.1029/RS018i003p00435.
Поступила в редакцию
12.04.17
Шерстюков Руслан Олегович, младший научный сотрудник лаборатории «Мониторинг неоднородной структуры ионосферы и атмосферы»
Казанский (Приволжский) федеральный университет
ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия
E-mail: sher-ksu@mail.ru
Акчурин Адель Джавидович, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой радиоастрономии
Казанский (Приволжский) федеральный университет
ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия
E-mail: Adel.Akchurin@kpfu.ru
Для цитирования: Шерстюков Р.О., Акчурин А.Д. Анализ дневных среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по двумерным картам вариаций полного электронного содержания и ионограммам // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 3. – С. 374–389.
For citation: Sherstyukov R.O., Akchurin A.D. Analysis of daytime medium-scale traveling ionospheric disturbances by two-dimensional maps of total electron content perturbation and ionograms. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2017, vol. 159, no. 2, pp. 374–389. (In Russian)
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
