Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов

Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов

Выполнена обработка данных наблюдений ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР), полученных синхронно в Антарктиде на Украинской антарктической станции и в России вблизи г. Иркутск. За несколько лет наблюдений восстановлены параметры ИАР, проанализированы их суточные и сезонные зависимости и случ...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2014
Main Authors: Бару, Н.А., Колосков, А.В., Ямпольский, Ю.М., Пашинин, А.Ю.
Format: Article
Language:Russian
Published: Радіоастрономічний інститут НАН України 2014
Series:Радиофизика и радиоастрономия
Subjects:
Радиофизика геокосмоса
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100334
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов / Н.А. Бару, А.В. Колосков, Ю.М. Ямпольский, А.Ю. Пашинин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2014. — Т. 19, № 2. — С. 151-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100334
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1003342025-02-10T00:24:58Z Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов Методика оцінки критичної частоти шару F2 за різницею власних частот іоносферних альфвенівських резонансів Evaluation Technique for the F2 Layer Critical Frequency by the Difference of Ionosphere Alfven Resonance Eigenfrequencies Бару, Н.А. Колосков, А.В. Ямпольский, Ю.М. Пашинин, А.Ю. Радиофизика геокосмоса Выполнена обработка данных наблюдений ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР), полученных синхронно в Антарктиде на Украинской антарктической станции и в России вблизи г. Иркутск. За несколько лет наблюдений восстановлены параметры ИАР, проанализированы их суточные и сезонные зависимости и случаи регистрации резонансов в частотном диапазоне выше 10 Гц. Проведено сопоставление данных с результатами ионосферного зондирования и подтверждена связь параметров ИАР с характеристиками околоземной плазмы над пунктами наблюдений. В рамках простой феноменологической модели ИАР разработана методика оценки критической частоты ионосферного слоя F2 по значению средней разности частот между соседними модами альфвеновского резонанса. Методика апробирована на данных наблюдений, выполненных в обеих приемных позициях, и позволяет производить оценку критической частоты над произвольным пунктом земной поверхности, где выполняется мониторинг ИАР. Виконано обробку даних реєстрації сигналів іоносферного альфвенівського резонансу (ІАР), отриманих синхронно в Антарктиді на Українській антарктичній станції та в Росії поблизу м. Іркутськ. За декілька років спостережень відновлено параметри ІАР, проаналізовано їх добові та сезонні залежності, а також випадки реєстрації резонансів у частотному діапазоні вище 10 Гц. Дані зіставлено з результатами іоносферного зондування та підтверджено зв’язок параметрів ІАР з характеристиками навколоземної плазми над пунктами спостереження. В рамках простої феноменологічної моделі ІАР розроблено методику оцінки критичної частоти іоносферного шару F2 за значенням середньої різниці частот між сусідніми модами альфвенівського резонансу. Методику апробовано за даними спостережень, отриманих в обох приймальних позиціях, і вона дозволяє оцінювати критичну частоту над довільним пунктом земної поверхні, де виконується моніторинг ІАР. The data processing of the Ionosphere Alfven Resonance (IAR) signals synchronously received in Antarctica (Ukrainian Antarctic Station) and in Russia near Irkutsk has been made. The IAR parameters are calculated for several years, their diurnal and seasonal characteristics and the cases of registration of resonances in the frequency band higher than 10 Hz analyzed. The data are mapped with the ionosphere sounding results. The relation between IAR parameters and characteristics of the near-Earth plasma above the stations of observation is confirmed. The technique of the F2 layer critical frequency evaluation by the value of the average frequency spacing between neighboring modes of the Alfven resonance is developed within a simple phenomenological model of IAR. The technique is verified by the data of both stations and allows evaluating critical frequencies above any point on the Earth surface, where monitoring of IAR is performed. Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить Национальный антарктический научный центр Украины за обеспечение мониторинговых измерений на УАС, а также отметить вклад разработчиков магнитометров Lemi-419ant и Lemi-30 (ЛЦ ИКИ). Работа выполнена при финансовой поддержке НТР “Антей” (№ госрегистрации 0113U004571), а также НИР “Ятаган-2” (№ госрегистрации 0111U000063) и “Шпицберген-2014” (№ госрегистрации 0114U002820). 2014 Article Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов / Н.А. Бару, А.В. Колосков, Ю.М. Ямпольский, А.Ю. Пашинин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2014. — Т. 19, № 2. — С. 151-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100334 550.388.2 ru Радиофизика и радиоастрономия application/pdf Радіоастрономічний інститут НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Радиофизика геокосмоса
Радиофизика геокосмоса
spellingShingle Радиофизика геокосмоса
Радиофизика геокосмоса
Бару, Н.А.
Колосков, А.В.
Ямпольский, Ю.М.
Пашинин, А.Ю.
Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
Радиофизика и радиоастрономия
description Выполнена обработка данных наблюдений ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР), полученных синхронно в Антарктиде на Украинской антарктической станции и в России вблизи г. Иркутск. За несколько лет наблюдений восстановлены параметры ИАР, проанализированы их суточные и сезонные зависимости и случаи регистрации резонансов в частотном диапазоне выше 10 Гц. Проведено сопоставление данных с результатами ионосферного зондирования и подтверждена связь параметров ИАР с характеристиками околоземной плазмы над пунктами наблюдений. В рамках простой феноменологической модели ИАР разработана методика оценки критической частоты ионосферного слоя F2 по значению средней разности частот между соседними модами альфвеновского резонанса. Методика апробирована на данных наблюдений, выполненных в обеих приемных позициях, и позволяет производить оценку критической частоты над произвольным пунктом земной поверхности, где выполняется мониторинг ИАР.
format Article
author Бару, Н.А.
Колосков, А.В.
Ямпольский, Ю.М.
Пашинин, А.Ю.
author_facet Бару, Н.А.
Колосков, А.В.
Ямпольский, Ю.М.
Пашинин, А.Ю.
author_sort Бару, Н.А.
title Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
title_short Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
title_full Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
title_fullStr Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
title_full_unstemmed Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
title_sort методика оценки критической частоты слоя f2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов
publisher Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate 2014
topic_facet Радиофизика геокосмоса
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100334
citation_txt Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских резонансов / Н.А. Бару, А.В. Колосков, Ю.М. Ямпольский, А.Ю. Пашинин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2014. — Т. 19, № 2. — С. 151-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv AT baruna metodikaocenkikritičeskoičastotysloâf2poraznostisobstvennyhčastotionosfernyhalʹfvenovskihrezonansov
AT koloskovav metodikaocenkikritičeskoičastotysloâf2poraznostisobstvennyhčastotionosfernyhalʹfvenovskihrezonansov
AT âmpolʹskiiûm metodikaocenkikritičeskoičastotysloâf2poraznostisobstvennyhčastotionosfernyhalʹfvenovskihrezonansov
AT pašininaû metodikaocenkikritičeskoičastotysloâf2poraznostisobstvennyhčastotionosfernyhalʹfvenovskihrezonansov
AT baruna metodikaocínkikritičnoíčastotišaruf2zarízniceûvlasnihčastotíonosfernihalʹfvenívsʹkihrezonansív
AT koloskovav metodikaocínkikritičnoíčastotišaruf2zarízniceûvlasnihčastotíonosfernihalʹfvenívsʹkihrezonansív
AT âmpolʹskiiûm metodikaocínkikritičnoíčastotišaruf2zarízniceûvlasnihčastotíonosfernihalʹfvenívsʹkihrezonansív
AT pašininaû metodikaocínkikritičnoíčastotišaruf2zarízniceûvlasnihčastotíonosfernihalʹfvenívsʹkihrezonansív
AT baruna evaluationtechniqueforthef2layercriticalfrequencybythedifferenceofionospherealfvenresonanceeigenfrequencies
AT koloskovav evaluationtechniqueforthef2layercriticalfrequencybythedifferenceofionospherealfvenresonanceeigenfrequencies
AT âmpolʹskiiûm evaluationtechniqueforthef2layercriticalfrequencybythedifferenceofionospherealfvenresonanceeigenfrequencies
AT pašininaû evaluationtechniqueforthef2layercriticalfrequencybythedifferenceofionospherealfvenresonanceeigenfrequencies
first_indexed 2025-12-02T04:09:12Z
last_indexed 2025-12-02T04:09:12Z
_version_ 1850368123823194112
fulltext ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 151 Радиофизика и радиоастрономия. 2014, Т. 19, № 2, c. 151–159 © Н. А. Бару, А. В. Колосков, Ю. М. Ямпольский, А. Ю. Пашинин, 2014 Н. А. БАРУ 1, А. В. КОЛОСКОВ 1, Ю. М. ЯМПОЛЬСКИЙ 1, А. Ю. ПАШИНИН 2 1 Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: baru@rian.kharkov.ua 2 Институт солнечно-земной физики СО РАН, ул. Лермонтова, 126-а, г. Иркутск, 664033, Россия ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÎÖÅÍÊÈ ÊÐÈÒÈ×ÅÑÊÎÉ ×ÀÑÒÎÒÛ ÑËÎß F2 ÏÎ ÐÀÇÍÎÑÒÈ ÑÎÁÑÒÂÅÍÍÛÕ ×ÀÑÒÎÒ ÈÎÍÎÑÔÅÐÍÛÕ ÀËÜÔÂÅÍÎÂÑÊÈÕ ÐÅÇÎÍÀÍÑΠВыполнена обработка данных наблюдений ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР), полученных синхронно в Антарктиде на Украинской антарктической станции и в России вблизи г. Иркутск. За несколько лет наблюде- ний восстановлены параметры ИАР, проанализированы их суточные и сезонные зависимости и случаи регист- рации резонансов в частотном диапазоне выше 10 Гц. Проведено сопоставление данных с результатами ионо- сферного зондирования и подтверждена связь параметров ИАР с характеристиками околоземной плазмы над пунк- тами наблюдений. В рамках простой феноменологической модели ИАР разработана методика оценки критической частоты ионосферного слоя F2 по значению средней разности частот между соседними модами альфвеновского резонанса. Методика апробирована на данных наблюдений, выполненных в обеих приемных позициях, и позволяет производить оценку критической частоты над произвольным пунктом земной поверхности, где выполняется мони- торинг ИАР. Ключевые слова: ионосферный альфвеновский резонатор, критическая частота УДК 550.388.2 1. Ââåäåíèå Ионосферный альфвеновский резонатор (ИАР) – это резонансная система для альфвеновской моды магнитогидродинамических волн, локали- зованная в области верхней ионосферы. Верхняя граница ИАР соответствует высотам с большим градиентом альфвеновской скорости, возникаю- щим вследствие быстрого уменьшения плотнос- ти плазмы выше максимума слоя F. На нижней границе резонатора, на высотах Е-области ионос- феры, характеризуемых максимальными значе- ниями педерсеновской и холловской проводи- мостей [1, 2], альфвеновские волны трансформи- руются в электромагнитные и формируют резо- нансные структуры спектра (РСС) в УНЧ–СНЧ диапазоне, которые могут быть зарегистри- рованы магнитометром, расположенным на по- верхности Земли. Возможность существования в ионосфере резонансной системы для альфве- новских волн была впервые предсказана теоре- тически в работе [1], авторы которой оценили так- же верхнюю границу частотного диапазона РСС в 1 Гц. Впоследствии эта оценка была повыше- на до 10 Гц [2] и подтверждена результатами на- блюдений [3]. Отметим, что до настоящего мо- мента теоретические и экспериментальные ис- следования ИАР в большинстве случаев были ограничены полосой частот 0.1 10÷ Гц. В лите- ратуре имеется достаточно большое количество свидетельств наблюдений ИАР в низких [4], средних [3] и высоких широтах [5], а также в нескольких пространственно разнесенных пунк- тах [6, 7]. Основными характеристиками, ко- торыми принято описывать РСС, являются ве- роятность их регистрации и собственные часто- ты резонансных линий. Морфология поведения этих параметров анализировалась многими ав- торами в зависимости от времени суток и сезо- на года [3, 8, 9], уровня возмущенности геомаг- нитного поля [8, 10, 11] и фазы 11-летнего цикла солнечной активности [9, 12]. Данные измерений демонстрируют также яв- ную зависимость характеристик РСС (в первую очередь значений резонансных частот) от пара- метров околоземной плазмы, причем основной вклад вносит участок ионосферы непосредствен- но над пунктом наблюдения [3, 8]. Таким обра- зом, мониторинг параметров РСС потенциально может быть использован для ионосферной диаг- 152 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 Н. А. Бару и др. ностики, на что указывают, например, авторы статьи [5]. В настоящей работе нами выполнен сравнительный анализ характеристик РСС, вос- становленных по записям магнитометров, и па- раметров ионосферы над пунктами наблюдений, полученных ионозондами. Использованы данные систематических длительных регистраций в двух значительно разнесенных в пространстве пунк- тах, расположенных в регионе Антарктического полуострова и вблизи г. Иркутск (Россия). В рам- ках феноменологической модели ИАР показа- на возможность определения критической часто- ты слоя F2 ионосферы – F2,of по измеряемой в эксперименте средней разности резонансных частот РСС и получена простая формула для рас- четов. Предложенная методика апробирована для обеих приемных позиций, что подтверждает воз- можность оценивать F2of над произвольным пунктом, где выполняются систематические на- блюдения ИАР. 2. Äàííûå íàáëþäåíèé è ðåçóëüòàòû ïåðâè÷íîé îáðàáîòêè Мониторинг ИАР выполнялся синхронно на Ук- раинской антарктической станции “Академик Вернадский” (УАС) (65 15 ю. ш.,′° 64 16 з. д.)′° и на магнитной станции Саянской солнечной обсерватории ИСЗФ СО РАН (далее Саянская обсерватория) вблизи Иркутска (51 16 с. ш.,′° 100 55 в. д.).′° Отметим, что пункты расположены в разных полушариях, а пространственный разнос между ними составляет 18270 км. Наблюдения проводились с помощью индукционных магнито- метров, разработанных Львовским центром Ин- ститута космических исследований НАН и НКА Украины <www.isr.lviv.ua>. Оба прибора имеют сходные характеристики и снабжены двумя иден- тичными каналами регистрации, позволяющими измерять вариации ортогональных горизонтальных компонент магнитного поля. Магнитные антенны устройств ориентированы в направлениях юг–се- вер и запад–восток в географической системе ко- ординат. На УАС установлен магнитометр Lemi- 112A с частотным диапазоном 0.03 300÷ Гц [13]. В Саянской обсерватории размещен магнито- метр Lemi-30, работающий в диапазоне частот 0.001 40÷ Гц <http://www.isr.lviv.ua/lemi30.htm>. Для обоих устройств данные синхронизируются с мировым временем (UTC) при помощи GPS приемников. Вблизи пунктов наблюдения находятся также ионозонды, которые применялись для получения информации о параметрах ионосферы. На УАС на расстоянии около 0.5 км от магнитометра расположена ионосферная станция IPS-42, мо- дернизированная для цифрового представления ионограмм. Сканирования выполняются раз в 15 мин. Обработка данных производится опера- тором при помощи специального программного обеспечения UACIDES по методике URSI [14]. В Иркутске установлен цифровой ионозонд DPS-4. Данные снимаются также раз в 15 мин. Обработка ионограмм происходит в автомати- ческом режиме с помощью стандартного про- граммного обеспечения “Артист-5тм” [15]. Ионо- зонд расположен на расстоянии порядка 200 км от Саянской обсерватории. Таким образом, для обоих пунктов наблюдения доступна информация об основных параметрах ионосферы с времен- ным разрешением 15 мин. Рассмотрим теперь методику обработки маг- нитометрических данных. Суточные записи в каналах юг–север и запад–восток разбивались на участки длительностью по 10 мин, для каж- дого из которых рассчитывались средние энер- гетические спектры. Усреднялись шестьдесят элементарных спектров, вычисленных по 10-се- кундным интервалам, что обеспечивало спект- ральное разрешение 0.1 Гц. Далее строились суточные спектрограммы, по которым опреде- лялись собственные частоты ИАР. Для этого оператор при помощи специально созданного компьютерного программного обеспечения вы- делял линии, соответствующие максимумам ИАР в каждом из каналов регистрации. После чего происходило усреднение собственных час- тот резонансных мод с одинаковым номером из разных каналов. Если резонансная мода с дан- ным номером была зарегистрирована только в одном канале, то ее частота сохранялась без усреднения. Резонанс считался зарегистрирован- ным, если можно было выделись 2 или более спектральных максимума, образующих РСС. Таким образом, для каждого 10-минутного ин- тервала восстанавливались такие характерис- тики ИАР, как наличие резонансных максиму- мов в спектре и собственные частоты. Посколь- ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 153 Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских... ку порядковый номер моды не всегда удавалось идентифицировать, для анализа мы использо- вали величину ,FΔ равную средней разности частот между соседними модами ИАР. Отме- тим также, что FΔ рассчитывается путем ус- реднения по всем выделенным модам ИАР, поэтому определяется точнее, чем каждая ре- зонансная частота в отдельности. В представленной работе были обработаны данные, полученные в Антарктиде в 2008, 2010 гг. и в Саянской обсерватории в 2010–2011 гг. Наличие длительных непрерывных массивов дан- ных позволило изучить общие закономерности поведения ИАР [6, 8]. Для обоих пунктов наблю- даются идентичные четко выраженные сезон- ные и суточные зависимости в поведении па- раметров ИАР. РСС фиксируются в основном ночью, днем реже. Максимум вероятности ре- гистрации приходится на локальную полночь. Вероятность регистрации зависит от сезона года: наибольшая вероятность регистрации приходит- ся на локальную зиму, тогда как локальным ле- том происходит резкий ее спад. Суточная зави- симость FΔ характеризуется плавным ростом с вечера к утру и быстрым уменьшением FΔ до минимума вблизи местного полудня. Как и для вероятности регистрации, для FΔ имеет место сезонная зависимость: локальной зимой FΔ мак- симальна, затем происходит уменьшение к лету и увеличение осенью. Мы выявили также случаи регистрации РСС на частотах выше 10 Гц (см. рис. 1). Отметим, что данная частота многими авторами [3, 16] рассматривается как верхняя граница диапазона наблюдаемости ИАР. За время наблюдений было зафиксировано 139 таких событий. Как показали результаты анализа [6], вероятность наблюдать РСС на высоких частотах увеличивается в маг- нитоспокойных условиях. Однако одновременно в обоих пунктах подобные РСС были зарегист- рированы всего два раза. Такая несинхронность, по нашему мнению, означает, что влияние гло- бальных факторов тут не является определяю- щим, и свидетельствует о том, что свойства ИАР зависят в основном от состояния ионосферы над пунктом наблюдения. Наличие ионозондов вблизи пунктов регистра- ции позволило сопоставить выявленные законо- мерности поведения параметров РСС с крити- ческой частотой ионосферного слоя F2 – F2.of Рис. 1. Спектрограмма за 09.12.2010 г., полученная в Саянской обсерватории. Спектральная плотность S сигнала отображается в оттенках серого и представлена в дицибелах. На верхней панели представлены данные регистрации в канале юг–север, на нижней – в канале запад–восток. В канале юг–север с 12:00 по 24:00 UTC наблюдаются РСС на частотах выше 10 Гц 154 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 Н. А. Бару и др. Критическая частота ионосферы была выбрана для анализа, поскольку возможность ее оценки по наблюдениям ИАР представляет значитель- ный практический интерес. С другой стороны, от частоты F2of зависит альфвеновский показа- тель преломления (см. [1–3]), и поэтому она дол- жна существенно влиять на значения собствен- ных частот ИАР. Проведенный анализ проде- монстрировал, что как вероятность регистрации РСС, так и FΔ находятся в противофазе с F2.of Наиболее показательной и хорошо оцениваемой количественно оказалась зависимость величины FΔ от критической частоты слоя F2 ионосферы. Эта связь четко прослеживается на графиках се- зонной (рис. 2, а) и суточной (рис. 2, б) зависимо- стей критической частоты слоя F2 ионосферы (сплошные кривые) и частотного разноса между максимумами РСС (пунктирные кривые). Наличие явной зависимости между величина- ми FΔ и F2of позволило нам поставить задачу об оценке критической частоты слоя F2 по дан- ным наблюдений РСС. 3. Ìåòîäèêà îöåíêè êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû ñëîÿ F2 è àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ Рассмотрим простую феноменологическую мо- дель ИАР. Согласно [3, 17] можно написать сле- дующее выражение для определения разницы частот между соседними резонансными макси- мумами ИАР :FΔ . 2 A cF n L Δ = (1) Здесь c – скорость света; L h l= + – линейный размер резонатора, определяемый толщиной глав- ного ионосферного максимума h и характерным масштабом резонатора в верхней ионосфере до высот быстрого спада альфвеновского показате- ля в протоносфере l; An – альфвеновский показа- тель преломления, 0 0 4 , eff A M Nc en B B πρ= ∝ (2) где 0B – напряженность магнитного поля Земли, ρ и eN – плотность плазмы и электронная кон- центрация, effM – эффективная масса ионов. Для упрощения дальнейших выкладок, следуя [3], будем считать, что электронная концентрация в ионосферном слое толщиной L не зависит от вы- соты и равна электронной концентрации в мак- симуме слоя F2 – maxeN (т. е. ионосфера являет- ся однородной). Учтем также, что электронная концентрация является квадратичной функцией от плазменной частоты pf [18]: Рис. 2. Полученные на УАС временные зависимости для ве- личин FΔ (пунктирные кривые) и F2of (сплошные кри- вые): а – за 2010 г., б – среднесуточный график ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 155 Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских... 20.0124 .e pN f= (3) Для электронной концентрации в максиму- ме слоя F2 можно написать следующее простое выражение: 2 max 0.0124( F2)e oN f= [18]. Таким образом, учитывая (2) и (3) и предполагая, что ионосферная плазма является однокомпонентной, получаем 0 F2 .o A fn B ∝ (4) Если считать, что линейные размеры резо- натора меняются слабо, то, учитывая формулы (1)–(4), получим, что критическая частота слоя F2 обратно пропорциональна разнице частот меж- ду соседними резонансными максимумами. Откуда можно записать простое выражение для оценки критической частоты слоя F2 по измеря- емым в эксперименте значениям :FΔ F2 .of F= α Δ (5) Коэффициент α может быть найден по оп- ределяемой из наблюдений зависимости F2of от .FΔ Отметим, что поскольку альфвеновский показатель преломления обратно пропорционален среднему значению напряженности магнитного поля Земли в ионосфере над точкой наблюдения (2), коэффициент 0~ Bα и будет различным для разных пунктов регистрации. Экспериментальные зависимости F2of от ,FΔ измеренные на УАС и в Саянской обсерватории, представлены на рис. 3, а и рис. 3, б соответ- ственно сплошными линиями. При получении экспериментальных заисимостей для каждого 10- минутного интервала, когда была зарегистриро- вана РСС, восстанавливались пары значений FΔ и F2.of Далее весь массив записей был поде- лен на диапазоны по величине FΔ с шагом 0.1 Гц. Значения F2,of попавшие в один такой диапазон, усреднялись. Затем в экспериментальную зави- симость вписывалась модельная кривая, рассчи- танная по формуле (5). Для этого график зависи- мости F2of от FΔ был построен в координатах 1 FΔ и F2,of а потом методом наименьших квадратов аппроксимирован прямой, проходящей через начало координат. После чего была сдела- на обратная замена переменных и определены значения искомого коэффициента α для кривой, описываемой выражением (5). Такая процедура была выполнена для данных, полученных на УАС. Коэффициент оказался равен ,2010 2.2,UASα = что позволило записать следующее выражение: F2 2.2 .o UAS UASf F= Δ (6) Рис. 3. Зависимости критической частоты F2of от FΔ (сплошные кривые) по результатам анализа данных ИАР, полученных на УАС с апреля по август 2010 г. (а) и в Саянской обсерватории с ноября 2010 г. по март 2011 г. (б). Пунктирными линиями показаны модельные кри- вые F2of F= α Δ 156 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 Н. А. Бару и др. При помощи формулы (6) было проведено вос- становление критической частоты по результа- там анализа ИАР. Для проверки разработанной методики сопоставлен временной ход критичес- кой частоты, рассчитанной по величине ,FΔ и ход частоты, измеренной ионозондом. Сопоставление проводилось для наиболее благоприятных, с точки зрения наблюдения ИАР, интервалов времени, ког- да вероятность регистрации РСС максимальна. Для УАС это апрель–август 2010 г., с заката до восхода (00:00–10:00 UTC, 18:00–24:00 UTC). На рис. 4 представлены результаты сравнения за несколько дней этих периодов. Критическая час- тота по данным ионозонда обозначена сплошной кривой, восстановленная по формуле (6) – пунк- тирной линией. Как видно из рисунка, полного ко- личественного соответствия получить не удалось. Различия проявляются в основном при низких зна- чениях ,FΔ когда модельная кривая выходит за пределы доверительных интервалов эксперимен- тальной. Средняя относительная ошибка оценки для всего интервала анализа F2of составляет 14 %. Она рассчитывалась как отношение среднек- вадратического отклонения разности значений критической частоты по данным ионозонда и частоты, восстановленной по результатам анали- за ИАР, к среднему значению критической час- тоты по данным ионозонда. Такое соответствие можно считать удовлетворительным, а методи- ку пригодной для оценки значения критической частоты ионосферы. Аналогичная процедура была проделана для данных, полученных в Саянской обсерватории. Экспериментально определенный коэффициент в формуле (5) оказался равен ,2010 2011 3.45.Irk −α = В то же время коэффициент α может быть оце- нен другим образом через значения напряжен- ностей магнитных полей над пунктами наблю- дения. Действительно, исходя из формул (4)–(5) отношение полных векторов магнитного поля 0B для двух пунктов наблюдения должно равняться отношению коэффициентов пропорциональности α в этих пунктах. Зная магнитное поле над УАС и Саянской обсерваторией, можно рассчитать ,2010 2011Irk −α по значению ,2010.UASα Средние за год значения полного вектора геомагнитного поля на высоте 300 км над этими пунктами были рассчи- таны согласно модели IGRF11 с использованием онлайн калькулятора <http://www.ngdc.noaa.gov/ geomag-web> и составили 51418 нТл в Саянской обсерватории и 34156 нТл на УАС. Расчеты ,2010 2011Irk −α по соотношению напряженностей маг- нитных полей дали значение 3.31, что очень близ- ко к значению коэффициента ,2010 2011 3.45,Irk −α = вычисленному ранее непосредственно по данным наблюдений. Этот факт подтверждает адекват- ность использованной в работе модели и показы- вает, что возможно рассчитать коэффициент про- Рис. 4. Временной ход критической частоты слоя F2 по данным ионозонда (сплошные кривые) и восстановлен- ный по модельному приближению (пунктирные линии) за несколько дней 2010 г. для УАС (а) и 2011 г. для Саянской обсерватории (б) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 157 Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских... порциональности в формуле (5) для произвольно- го пункта наблюдения. Для оценки критической частоты слоя F2 над Саянской обсерваторией будем использовать значение коэффициента про- порциональности, рассчитанное по соотношению магнитных полей, ,2010 2011 3.31.Irk −α = Результаты расчетов, совместно с данными, полученными с помощью ионозонда, представлены на рис. 4, б. Относительная ошибка восстановления F2of составляет 18 %. Сравнение, как и для УАС, проводилось для интервалов времени, когда вероятность регистрации ИАР максимальна. Для Саянской обсерватории это период с ноября 2010 по март 2011 гг., с захода до восхода (10:00– 24:00 UTC). Полученное значение ошибки боль- ше, чем на УАС. Однако это может быть связано не только с неточностью использованной фено- менологической модели, но и с относительно большим расстоянием между магнитометром и ионозондом – 200 км. С целью проверки работоспособности разра- ботанной методики оценки F2of модельные кри- вые, полученные на УАС в 2010 г., были исполь- зованы для расчетов критической частоты по массиву данных 2008 г. Результаты этих вычис- лений представлены на рис. 5 вместе с данными, полученными с помощью ионозонда. Сравнение проводилось за период апрель–август 2008 г. Относительная ошибка измерений составила 15 %. Это значение сравнимо с аналогичным, по- лученным для данных 2010 г. Таким образом, коэффициенты для модельной кривой (5), рассчи- танные по данным для одного года, можно ис- пользовать для данных других лет. Понятно, что предложенный метод не может заменить традиционные способы ионосферной диагностики. Так, определение значений крити- ческой частоты может выполняться не круглосу- точно, а только во время существования РСС, т. е. преимущественно локальной ночью. Кроме того, можно говорить лишь об оценке F2,of поскольку точность ее восстановления оказы- вается меньшей, чем в измерениях с помощью ионозонда. К достоинствам разработанной мето- дики можно отнести отсутствие ограничений на минимальное значение оцениваемой критической частоты, что позволяет определять F2,of мень- шие 2 МГц, которые не всегда фиксируются ионо- зондом. Предлагаемая методика является так- же менее дорогостоящей, чем ионосферное зон- дирование, и, будучи пассивной, не требует излу- чения каких-либо зондирующих сигналов. 4. Çàêëþ÷åíèå В работе проведен анализ данных долговремен- ных наблюдений ИАР, выполненных в двух пунк- тах с большим пространственным разносом, расположенных в регионе Антарктического по- луострова (УАС) и вблизи г. Иркутск (Саянс- кая обсерватория). За несколько лет наблюдений восстановлены следующие параметры ИАР: ве- роятность регистрации, собственные частоты, средний частотный разнос между резонансны- ми максимумами. Проведено исследование сезон- ных и суточных зависимостей для этих величин. Обнаружены и проанализированы случаи регист- рации РСС на частотах, превышающих 10 Гц. Показано, что большинство таких случаев регис- трируется не одновременно в двух пунктах, а толь- ко в одном из них. Это указывает на то, что по- ведение ИАР в большей мере определяется свой- ствами локальной ионосферы, а не глобальным состоянием околоземной плазмы. Подтверждено, Рис. 5. Временной ход критической частоты слоя F2 по данным ионозонда (сплошная кривая) и восстановленный по модельному приближению (пунктирная линия) за несколь- ко дней 2008 г. для УАС 158 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 Н. А. Бару и др. что, несмотря на существенный пространствен- ный разнос приемных позиций и их размещение в разных географических зонах и полушариях, суточные и сезонные закономерности для ло- кального времени и сезонов года имеют сходный характер. Сопоставление результатов анализа па- раметров ИАР с данными ионозондов, располо- женных вблизи пунктов наблюдения, подтверди- ли наличие устойчивой зависимости частотного разноса РСС FΔ от критической частоты слоя F2 ионосферы F2.of C использованием данных наблюдений и простой феноменологической мо- дели ИАР в работе разработана методика оцен- ки критической частоты слоя F2 по измеряемой в эксперименте величине .FΔ Методика апроби- рована на многомесячных рядах данных регист- раций ИАР, полученных для обеих приемных позиций. Показано, что модельное восстановле- ние критической частоты может быть осуществ- лено для произвольного пункта земной поверх- ности, где проводится мониторинг ИАР. Авторы считают своим приятным долгом по- благодарить Национальный антарктический научный центр Украины за обеспечение монито- ринговых измерений на УАС, а также отметить вклад разработчиков магнитометров Lemi-419ant и Lemi-30 (ЛЦ ИКИ). Работа выполнена при фи- нансовой поддержке НТР “Антей” (№ госрегист- рации 0113U004571), а также НИР “Ятаган-2” (№ госрегистрации 0111U000063) и “Шпицбер- ген-2014” (№ госрегистрации 0114U002820). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Поляков С. В., Рапопорт В. О. Ионосферный Альф- веновский Резонатор // Геомагнетизм и аэрономия. – 1981. – Т. 21, № 5. – С. 816–822. 02. Беляев П. П., Поляков С. В., Рапопорт В. О., Трахтен- герц В. Ю. Теория формирования резонансной струк- туры спектра атмосферного электромагнитного шу- мового фона в диапазоне короткопериодных геомаг- нитных пульсаций // Известия вузов. Радиофизика. – 1989. – Т. 32, № 7. – С. 802–810. 03. Беляев П. П., Поляков С. В., Рапопорт В. О., Трахтен- герц В. Ю. Экспериментальные исследования резонанс- ной структуры спектра атмосферного электромагнит- ного шумового фона в диапазоне короткопериодных геомагнитных пульсаций // Известия вузов. Радиофи- зика. – 1989. – Т. 32, № 6. – С. 663–672. 04. Bosinger T., Haldoupis C., Belyaev P. P., Yakunin M. N., Semenova N. V., Demekhov A. G., and Angelopoulos V. Spectral properties of the ionospheric Alfven resonator observed at a low-latitude station (L=1.3) // J. Geophys. Res. Space Phys. – 2002. – Vol. 107, No. A10. – P. SIA 4-1–SIA 4-9. 05. Belyaev P. P., Bosinger T., Isaev S. V., and Kangas J. First evidence at high latitudes for the ionospheric Alfven resonator // J. Geophys. Res. Space Phys. – 1999. – Vol. 104, No. A3. – P. 4305–4317. 06. Бару Н. А., Колосков А. В., Рахматулин Р. А. Много- позиционные наблюдения сигналов ионосферного альфвеновского резонанса // Сб. тез. докл. Первой украинской конференции ЭМЕС. – Харьков (Украи- на). – 2012. – С. 133–135. 07. Parent A., Mann I. R., and Shiokawa K. Observing the MLT and L-shell dependence of ground magnetic signatures of the ionospheric Alfven resonator // Int. Conf. Substorms-8. – Calgary (Canada). – 2006. – P. 225–230. 08. Колосков А. В., Синицын В. Г., Герасимова Н. Н., Ям- польский Ю. М. Околоземные резонаторы СНЧ-волн как индикаторы космической погоды // Космічна наука і технологія. – 2008. – Т. 14, № 5. – C. 49–64. 09. Belyaev P. P., Polyakov S. V., Ermakova E. N., and Isaev S. V. Solar cycle variations in the ionospheric Alfven resonator 1985-1995 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 2000. – Vol. 62, No.4. – P. 239–248. 10. Hayakawa M., Molchanov O. A., Schekotov A. Yu., and Fedorov E. Observation of ionosphere Alfven resonance at a middle latitude station // Adv. Polar Upper Atmos. Res. – 2004. – No. 18 – P. 65–76. 11. Semenova N. V., Yahnin A. G., Vasil’ev A. N., and Amm O. Specific Features of Resonance Structures in Spectra of ULF Electromagnetic Noise at High Latitudes (Barents- burg Observatory) // Geomagn. Aeronomy. – 2008. – Vol. 48, No.1. – P. 36–44. 12. Yahnin A. G., Semenova N. V., Ostapenko A. A., Kangas J., Manninen J., and Turunen T. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background noise in the range of 0.1–4 Hz at L=5.2 // ANGEO. – 2003. – Vol. 21, No. 3. – P. 779–786. 13. Безродный В. Г., Буданов О. В., Колосков А. В., Ям- польский Ю. М. Электромагнитное окружение Земли в СНЧ-диапазоне // Космiчна наука та технологiя – 2003. – Т. 9, № 5/6 – С. 117–123. 14. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм / В. Р. Ригготт, К. Равер / Пер. с англ. под ред. П. В. Медниковой. – М.: Наука, 1977. – 342 с. 15. Кузьмин А. В., Канаев А. С. Средства вертикального радиозондирования ионосферы // Гелиогеофизические исследования. – 2012. – № 2. – С. 72–82. 16. Shi Run, Zhao Zheng-Yu, Zhang Bei-Chen. Study of the influence of IAR on geomagnetic signal observed on the ground // Chi. J. Geophys. – 2010. – Vol. 53, Is. 5 – P. 693–703. 17. Demekhov A. G., Belyaev P. P., Isaev S. V., Manninen J., Turunen T., and Kangas J. Modelling the diurnal evolu- tion of the resonance spectral structure of the atmo- spheric noise background in the Pc 1 frequency range // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 2000. – Vol. 62, No. 4. – P. 257–265. ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 19, № 2, 2014 159 Методика оценки критической частоты слоя F2 по разности собственных частот ионосферных альфвеновских... 18. Jayachandran B., Krishnankutty T. N., and Gulyaeva T. L. Climatology of ionospheric slab thickness // ANGEO. – 2004. – Vol. 22, No.1. – P. 25–33. М. О. Бару 1, А. В. Колосков 1, Ю. М. Ямпольський 1, А. Ю. Пашинін 2 1 Радіоастрономічний інститут НАН України, вул. Червонопрапорна, 4, м. Харків, 61002, Україна 2 Інститут сонячно-земної фізики СВ РАН, вул. Лермонтова, 126-а, м. Іркутськ, 664033, Росія МЕТОДИКА ОЦІНКИ КРИТИЧНОЇ ЧАСТОТИ ШАРУ F2 ЗА РІЗНИЦЕЮ ВЛАСНИХ ЧАСТОТ ІОНОСФЕРНИХ АЛЬФВЕНІВСЬКИХ РЕЗОНАНСІВ Виконано обробку даних реєстрації сигналів іоносферного альфвенівського резонансу (ІАР), отриманих синхронно в Антарктиді на Українській антарктичній станції та в Росії поблизу м. Іркутськ. За декілька років спостережень віднов- лено параметри ІАР, проаналізовано їх добові та сезонні залежності, а також випадки реєстрації резонансів у частот- ному діапазоні вище 10 Гц. Дані зіставлено з результатами іоносферного зондування та підтверджено зв’язок пара- метрів ІАР з характеристиками навколоземної плазми над пунктами спостереження. В рамках простої феноменологіч- ної моделі ІАР розроблено методику оцінки критичної час- тоти іоносферного шару F2 за значенням середньої різниці частот між сусідніми модами альфвенівського резонансу. Методику апробовано за даними спостережень, отриманих в обох приймальних позиціях, і вона дозволяє оцінювати критичну частоту над довільним пунктом земної поверхні, де виконується моніторинг ІАР. N. A. Baru 1, A. V. Koloskov 1, Y. M. Yampolski 1, and A. Y. Pashinin 2 1 Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine, 4, Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine 2 Institute of Solar-Terrestrial Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 126-а, Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia EVALUATION TECHNIQUE FOR THE F2 LAYER CRITICAL FREQUENCY BY THE DIFFERENCE OF IONOSPHERE ALFVEN RESONANCE EIGENFREQUENCIES The data processing of the Ionosphere Alfven Resonance (IAR) signals synchronously received in Antarctica (Ukrainian Antarc- tic Station) and in Russia near Irkutsk has been made. The IAR parameters are calculated for several years, their diurnal and seasonal characteristics and the cases of registration of resonances in the frequency band higher than 10 Hz analyzed. The data are mapped with the ionosphere sounding results. The relation between IAR parameters and characteristics of the near-Earth plasma above the stations of observation is confirmed. The technique of the F2 layer critical frequency evaluation by the value of the average frequency spacing between neighbo- ring modes of the Alfven resonance is developed within a simple phenomenological model of IAR. The technique is verified by the data of both stations and allows evaluating critical fre- quencies above any point on the Earth surface, where monito- ring of IAR is performed. Статья поступила в редакцию 26.03.2014

Similar Items