Отклик ионосферы Земли на воздействие Отклик ионосферы Земли на воздействие солнечного ветра и ультрафиолетового солнечного ветра и ультрафиолетового излучения Солнца по данным измерений с излучения Солнца по данным измерений с помощью высокостабильных сигналов помощью высокостабильных сигналов радионавигационных систем на трассах спутник-радионавигационных систем на трассах спутник-спутник. спутник. Павельев А.Г., Матюгов С.С., Павельев А.А., Яковлев О.И. Павельев А.Г., Матюгов С.С., Павельев А.А., Яковлев О.И.

11Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, (IRE RAS), Fryazino, Vvedenskogo sq. 1, 141191 Moscow region, Sciences, (IRE RAS), Fryazino, Vvedenskogo sq. 1, 141191 Moscow region,

Russia E-mail Russia E-mail pvlv@ms.ire.rssi.ru

«Физика плазмы в солнечной системе»«Физика плазмы в солнечной системе»Февраль 15 2011Февраль 15 2011 ИКИ РАНИКИ РАН МоскваМосква

Принцип радиозатменного мониторинга Принцип радиозатменного мониторинга атмосферыатмосферы

Приемник на спутнике L регистрирует сигналы на двух частотах, изменения фазы и амплитуды которых содержат информацию о характеристиках околоземного пространства вдоль трассы распространения радиоволн GТL. При допущении о локальной сферической симметрии околоземной среды эти изменения вызваны, главным образом, влиянием областей ионосферы и атмосферы вблизи точки перигея Т лучевой траектории. Далее по измеренным изменениям фаз и амплитуд и по известным эфемеридам спутников G и L можно рассчитать высотный профиль угла рефракции и затем, с помощью преобразования Абеля, найти высотную зависимость показателя преломления в атмосфере, а также электронной концентрации в ионосфере.

33

Научные КА радиозатменного зондирования, запущенные в 1995-2009

гг.

GPS/MET (Micro-Lab-1), CHAMP, SAC-C, GRACE, METOP etc.

Эти спутники (массой 70-250 кг) были оснащены приемниками GPS-сигналами, прошедшими через слои атмосферы и ионосферы. Принятые сигналы передавались на наземные станции, где обрабатывались для прецизионного вычисления физических параметров атмосферы и ионосферы.

OceanSAT-2 (с 2009 г.) имеет в составе БА РЗЗА «ROSA» на сигналы GPS и ГЛОНАСС

CanX-2 (с 2008 г.) – наноспутник массой 3,5 кг с БА РЗЗА на сигналы GPS

““Formosat-3Formosat-3” ” (NSPO, China-Taiwan)(NSPO, China-Taiwan):: 6 6 микроспутников микроспутников (m=69 (m=69 кгкг). ). ОрбитыОрбиты: : H=H=800 км, 800 км, i=i=72 ° 72 ° Запущены в апрелеЗапущены в апреле 20062006 г. г.Мониторинг физических параметровМониторинг физических параметров:: - - в нижней атмосфере на высотахв нижней атмосфере на высотах – 1…35 – 1…35 kmkm с вертикальным разрешением с вертикальным разрешением 100 - 600 100 - 600 м;м; - - в ионосфере на высотахв ионосфере на высотах – 90…400 – 90…400 км с км с вертикальным разрешениемвертикальным разрешением – 800 – 800 ммПогрешность измер. температуры – 0,2-1 К Погрешность измер. температуры – 0,2-1 К (до 30 км), 2-(до 30 км), 2-88 К (выше 35 км) К (выше 35 км)До До 2500 2500 зондирований в день взондирований в день в глобальномглобальном масштабемасштабе

Perigee Point

Мониторинг условий связи в околоземном пространстве и ионосферных параметров с

помощью сигналов навигационных спутников

Изучение воздействия процессов в магнитосфере и ионосфере на высокостабильные сигналы навигационных спутников

Изучение распределения спорадических плазменных слоев в глобальном масштабе и выявление механизма их образования

Изучение вертикальных профилей электронной концентрации и их связи с солнечной активностью, антропогенным воздействием и влиянием сейсмической активности

Пять типов ионосферного воздействия на GPS сигналы : 1)спокойная ионосфера, 2)изолированные квазирегулярные вспышки (возможен вклад наклонных спорадических Е-слоев), 3)квазипериодические изменения амплитуды и фазы (волновые структуры в электронной концентрации), 4)дифракционные явления 5)явления с шумовым вкладом ионосферных возмущений

Определение высоты, наклона и положения слоев при

дистанционном радио зондировании на трассе спутник-спутник. (Liou and Pavelyev, GRL, 2006; Pavelyev et al., JGR, 2007; Павельев и др., Радиофизика 2008; 2009; GRL, 2009; GPS Solutions, 2010).

Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы от перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS GPS FF11

Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы от перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS GPS FF11

Результаты глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы Земли с использованием радиотрасс спутник-спутник.Исследовалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев в нижней ионосфере Земли в зависимости от солнечной активности в течение периода 2002-2008 годов. Исследования проводились методом анализа амплитудных и фазовых составляющих радиоголограмм, полученных в ходе радиозатменных миссий CHAMP, FORMOSAT-3 путем регистрации высокостабильных сигналов навигационной системы GPS на трассах спутник-спутник. Наблюдалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев, полученное с высоким пространственным и временным разрешением. Разработана методика глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы. Получены данные о статистике появлений спорадических ионосферных образований в экваториальных, среднеширотных и полярных областях для условий дня и ночи. Получены карты географического распределения интенсивных ЕS–структур.

Установлена устойчивая связь между приходом к Земле ударной волны солнечного ветра, возрастанием интенсивности мелкомасштабных неоднородностей плазмы и появлением интенсивных спорадических образований в нижней ночной высокоширотной ионосфере. В высоких широтах в ночной ионосфере интенсивные спорадические структуры связаны с воздействием ударных волн солнечного ветра. В полярных районах индекс S4 в течение 2001-2008 гг. постепенно снижался от 10% до 7%, что указывает на постепенное ослабление интенсивности ударных волн по мере приближения к минимуму солнечной активности. Усредненный по всему земному шару индекс S4 практически не менялся. Разработанный метод позволил выяснить связь следующих явлений: приход ударной волны солнечного ветра – высыпание из радиационного пояса энергичных частиц – возбуждение неоднородностей плазмы в F области ионосферы – появление интенсивных спорадических структур в нижней ночной ионосфере.

Географическое распределение спорадических слоев в 2008 – 2009 гг. по данным FORMOSAT-3 (Wickert et al., 2009)

Вариации интенсивности радиозатменного сигнала описываются индексом S, где <> - среднее значение, соответствующее высотам h(T) большим 40 км, I(t) – интенсивность радиозатменного сигнала.

Зависимость интегральной электронной концентрации в Зависимость интегральной электронной концентрации в околоземном пространстве от солнечной активности (количества околоземном пространстве от солнечной активности (количества пятен и ультрафиолетового излучения) по данным Афраймович, пятен и ультрафиолетового излучения) по данным Афраймович, 2004, 2004, Wickert, 2010, Hocke 2009 Wickert, 2010, Hocke 2009

Кривые 1-3 соответствуют:1 - усредненному по всему земному шару индексу S4;2 - усредненному по экваториальным районам (широта <30) индексу S4;3 - усредненному по умеренным и полярным широтам (широта >30) индексу S4.

Зависимость усредненного индекса S4 от времени в период 2001-2008 гг. по данным спутника CHAMP

Кривые 1,2 соответствуют:1 - усредненному по земному шару индексу S4, местное дневное время от 08 до 20 ч;2 - усредненному по земному шару индексу S4, местное ночное время от 20 до 08 часов Криввые 3 и 4 –полиномиальная аппроксимация

Кривые 1-3 соответствуют:1 - усредненному по всему земному шару индексу S4;2 - усредненному по умеренным и экваториальным широтам (широта <55) индексу S4;3 - усредненному по полярным районам (широта >55) индексу S4.

Спектр вариаций рентгеновского излучения и интегральной Спектр вариаций рентгеновского излучения и интегральной электронной концентрации по данным электронной концентрации по данным Hocke, JGR, 2009Hocke, JGR, 2009

Временная зависимость характеристик солнечного ветра и геомагнитной активности в период с 24 по 27 сентября и с 05 по 08 ноября 2001 года.

Карты распределения интенсивных ионосферных событий с индексом S4, большим, чем 12%, в период октябрь 2001 (левая верхняя панель), октябрь 2002 (правая верхняя панель), октябрь 2003 (левая нижняя панель), и апрель 2004 (правая нижняя панель)

Сезонная зависимость глобального распределения РЗ событий CHAMP с величиной индекса S4, большим, чем 0.12) в период 14 мая - 14 июля, 2001, (левая верхняя панель), ноябрь-декабрь 2001 (правая верхняя панель), 28 октября – 26 ноября 2003 (левая нижняя панель), апрель 2004 года (правая нижняя панель)

Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 с индексом S4, большим 12%, в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 с индексом S4, большим 24%, в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

ВыводыВыводыI. I. Преимуществами радиозатменного метода являются:Преимуществами радиозатменного метода являются: (1) (1) возможность разделения вклада возможность разделения вклада слоев и турбулентных слоев и турбулентных

неоднородностей в радиозатменный сигналнеоднородностей в радиозатменный сигнал((22) ) возможность определения положения и наклона возможность определения положения и наклона спорадических слоев спорадических слоев путем совместного анализа фазовых и путем совместного анализа фазовых и амплитудных вариаций затменного сигналаамплитудных вариаций затменного сигнала. .

II. II. Показано, что амплитудные вариации радиозатменного сигнала, Показано, что амплитудные вариации радиозатменного сигнала, а также число интенсивных спорадических ионосферных слоев и а также число интенсивных спорадических ионосферных слоев и интегральное электронное содержание связано с солнечной интегральное электронное содержание связано с солнечной активностью. Выявлена связь амплитудных вариаций активностью. Выявлена связь амплитудных вариаций радиозатменного сигнала с воздействием ударных волн, радиозатменного сигнала с воздействием ударных волн, вызванных взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой вызванных взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой Земли. и ионосферой Земли.

III. III. Карты географического и сезонного распределения амплитудных Карты географического и сезонного распределения амплитудных вариаций радиозатменного сигнала с высокими значениями вариаций радиозатменного сигнала с высокими значениями индекса индекса S4S4, , относящиеся к периоду 2001-2007 годов, показывают относящиеся к периоду 2001-2007 годов, показывают зависимость от уровня солнечной активности.зависимость от уровня солнечной активности.

Acknowledgments

We are grateful to NSPO (Taiwan), UCAR (USA) and GFZ-Potsdam (Germany) for access to the GPS/MET, CHAMP, and FORMOSAT-3 RO data. The work has been partly supported by Russian Foundation for Basic Researches (RFBR) grant No. 10-02-01015 and program OFN-YI.

Thank you for your attention!