gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2019-10-3-0432gtcrust-888Research ArticleСОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКАRECENT GEODYNAMICSНАБЛЮДЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ U-ОБРАЗНЫХ ТРЕКОВ НА ИОНОГРАММАХOBSERVATIONS OF IONOSPHERIC DISTURBANCES VIA U-SHAPED TRACES ON IONOGRAMShttps://orcid.org/0000-0002-2830-2815ЛарюнинО. А.LaryuninO. A.

Ларюнин Олег Альбертович - кандидат физико-математических наук.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126A. 

Oleg A. Laryunin - Candidate of Physics and Mathematics.

126A Lermontov street, Irkutsk 664033.

laroleg@iszf.irk.ruИнститут солнечно-земной физики СО РАНРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics, Siberian Branch of RASRussian Federation201913092019103655662Copyright © Ларюнин О.А., 20192019Ларюнин О.А.Laryunin O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/888

Метод вертикального радиозондирования по-прежнему остается базовым при изучении ионосферы Земли. Условия распространения радиоволн зависят от рабочей частоты, поэтому для диагностики ионосферы применяются ионозонды, измеряющие задержку декаметрового радиосигнала различной частоты. Продуктом работы ионозонда являются ионограммы, которые в виде высотно-частотной характеристики представляют собой зависимость действующей высоты отражения (или времени, за которое радиосигнал достигает точки отражения и возвращается обратно) от рабочей частоты. Ионограммы вертикального и слабонаклонного зондирования дают львиную долю сведений о пространственно-временной структуре ионосферной плазмы над точкой зондирования. При этом особый интерес представляет исследование динамических процессов на основе последовательности ионограмм с высоким временным разрешением. Так, информативным представляется, в частности, исследование сейсмоионосферных эффектов по минутным ионограммам. Известно, что существенные отклонения параметров ионосферных слоев по данным ионозондов могут наблюдаться и до, и после землетрясения. При этом эффекты землетрясений могут проявляться на больших расстояниях от эпицентра. Так, данные зондирования в Иркутской области демонстрируют аномалии, которые последовали через несколько десятков минут после главного толчка землетрясения в Японии 11 марта 2011 г. В начальной фазе аномалия проявилась в мультикасповой структуре на ионограмме, вероятно связанной со множественными расслоениями в ионосфере. Интерпретация структуры данного типа проводится итерационным методом восстановления профиля электронной концентрации в одномерном приближении (слоистая среда) и описана в литературе. В последующей фазе на ионограммах проявилась серповидная структура с характерной многолучевостью. Множественное распространение обычно связано с появлением дополнительных, отклоненных от вертикали лучевых траекторий, вызванных перемещающимся ионосферным возмущением. В этой связи было целесообразно перейти к двумерной модели электронной концентрации с зависимостью как от вертикальной, так и от горизонтальной координаты. Таким образом, в рамках данной работы на основе приближения геометрической оптики проведено имитационное моделирование ионограмм вертикального зондирования в условиях ионосферы с сильными горизонтальными градиентами электронной концентрации. Показано, что различное расположение серповидной структуры относительно основного трека ионограммы может быть получено в рамках прохождения одного перемещающегося ионосферного возмущения. Представлены характерные лучевые траектории, формирующие дополнительные треки ионограммы. Показано, что в зависимости от положения возмущения серповидная структура может появляться как при наличии многолучевости, так и без нее.

The ionospheric vertical sounding is a basic technique for studying the Earth’s ionosphere. Taking into account the fact that conditions for propagation of radio waves depend on the operating frequency, diagnostics of the ionosphere is performed using digital ionosondes that measure the delays of decameter radio signals of different frequencies. An ionogram is a display of the data produced by an ionosonde. It is a graph of the virtual reflection height of the ionosphere (actually, time between transmission and reception of a radio signal) versus sounding frequency.Vertical and near-vertical ionograms provide the major share of information about the space-temporal structure of the ionospheric plasma above the ionosonde. Of particular interest is investigating dynamic processes from the series of ionograms taken once each minute. Studying seismic ionospheric effects by minute ionograms can be highly informative. It is known that the parameters of the ionospheric layers can significantly vary both before and after an earthquake, and such deviations are detectable from ionosonde data. Recent observations show that the effects from an earthquake can occur at large distances from the epicenter.For instance, soundings in the Irkutsk region detected the anomalies that occurred several dozens of minutes after the main shock of the 11.03.2011 earthquake in Japan. At the initial phase, the anomaly was recordedas a multicusp structure in the ionogram, which was probably related tothe multiple layers of the ionosphere. This structure was interpreted by iterative reconstruction of the electron density profile in a one-dimensional approximation (stratified ionosphere), and the interperation was published. At the next phase, the ionograms showed a U-shaped structure with a specificmultiple reflection. Multipath propagation is usually associated with additional off-vertical ray paths, which are caused by traveling ionospheric disturbances (TIDs). In this regard, it is appropriate to use a 2D model of electron density, depending on both the vertical and horizontal coordinates.In our study, geometric optics approximation was used to simulatevertical ionograms under the conditions of strong horizontal gradients of electron density. The study results show that different positions of the U-shaped structure with respect to the main trace of the ionogram can be obtained for a single TID. Specific ray paths forming the additional traces of the ionogram are described.Depending on the TID location, the U-shaped structure can occur with or without a specificmultipath reflection.

 

ионосфераперемещающиеся ионосферные возмущенияионограммаionospheretraveling ionospheric disturbance (TID)ionogramReferencesBerngardt O.I., Dobrynina A.A., Zherebtsov G.A., Mikhalev A.V., Perevalova N.P., Ratovskii K.G., Rakhmatulin R.A., San’kov V.A., Sorokina A.G., 2013. Geophysical phenomena accompanying the Chelyabinsk meteorite fall. Doklady Earth Sciences 452 (1), 945–947. https://doi.org/10.1134/S1028334X13090080.Berngardt O.I., Dobrynina A.A., Zherebtsov G.A., Mikhalev A.V., Perevalova N.P., Ratovskii K.G., Rakhmatulin R.A., San’kov V.A., Sorokina A.G., 2013. Geophysical phenomena accompanying the Chelyabinsk meteorite fall. Doklady Earth Sciences 452 (1), 945–947. https://doi.org/10.1134/S1028334X13090080.Berngardt O.I., Kotovich G.V., Mikhailov S.Y., Podlesnyi A.V., 2015. Dynamics of vertical ionospheric inhomogeneities over Irkutsk during 06: 00–06: 20UT 11/03/2011 caused by Tohoku earthquake. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 132, 106–115. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.07.004.Berngardt O.I., Kotovich G.V., Mikhailov S.Y., Podlesnyi A.V., 2015. Dynamics of vertical ionospheric inhomogeneities over Irkutsk during 06: 00–06: 20UT 11/03/2011 caused by Tohoku earthquake. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 132, 106–115. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.07.004.Чистякова Л.В., Корсунова Л.П., Подлесный А.В., Хегай В.В. Изменения в ионосфере над Иркутском перед сильными землетрясениями в Туве // Солнечно-земная физика. 2012. № 20. С. 103–108.Chistyakova L.V., Korsunova L.P., Podlesny A.V., Khegai V.V., 2012. Ionospheric variations over Irkutsk before strong earthquakes in Tuva. Solar-Terrestrial Physics (20), 103–108 (in Russian)Coleman C.J., 2011. Point‐to‐point ionospheric ray tracing by a direct variational method. Radio Science 46 (5), RS5016. https://doi.org/10.1029/2011RS004748.Coleman C.J., 2011. Point‐to‐point ionospheric ray tracing by a direct variational method. Radio Science 46 (5), RS5016. https://doi.org/10.1029/2011RS004748.Khegai V.V., Legen’ka A.D., Kim V.P., 2013. Anomalous variations in the foF2 critical frequency above Japan prior to the earthquake of March 9, 2011. Geomagnetism and Aeronomy 53 (4), 529–533. https://doi.org/10.1134/S0016793213040099.Khegai V.V., Legen’ka A.D., Kim V.P., 2013. Anomalous variations in the foF2 critical frequency above Japan prior to the earthquake of March 9, 2011. Geomagnetism and Aeronomy 53 (4), 529–533. https://doi.org/10.1134/S0016793213040099.Клименко М.В., Клименко В.В., Захаренкова И.Е., Пулинец С.А. Численное моделирование ионосферных предвестников сильных землетрясений в высоких, средних и низких широтах // Известия Калининградского государственного технического университета. 2011. № 20. С. 40–47.Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E., Pulinets S.A., 2011. Numerical simulation of ionospheric precursors of strong earthquakes in high, middle and low latitudes. Proceedings of the Kaliningrad State Technical University (20), 40–47 (in Russian)Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 306 с.Kravtsov Yu.A., Orlov Yu.I., 1980. Geometrical Optics of Inhomogeneous Media. Nauka, Moscow, 306 p. (in Russian)Куркин В.И., Ларюнин О.А., Подлесный А.В., Лукин Д.С., Черняк Я.М., Крюковский А.С., Растягаев Д.В. Исследование квазипериодических ионосферных возмущений с помощью амплитудных карт // Нелинейный мир. 2014. № 12. С. 12–19.Kurkin V.I., Laryunin O.A., Podlesny A.V., Lukin D.S., Chernyak Ya.M., Kryukovsky A.S., Rastyagaev D.V., 2014. Study of quasi-wave ionospheric disturbances using amplitude maps. Nelineinyi Mir (Nonlinear World) (12), 12–19 (in Russian)Laryunin O.A., 2018. Estimating the characteristics of traveling ionospheric disturbances from vertical incidence ionograms within a compound parabolic layer model. Geomagnetism and Aeronomy 58 (2), 245–251. https://doi.org/10.1134/S0016793218020147.Laryunin O.A., 2018. Estimating the characteristics of traveling ionospheric disturbances from vertical incidence ionograms within a compound parabolic layer model. Geomagnetism and Aeronomy 58 (2), 245–251. https://doi.org/10.1134/S0016793218020147.Liu J.Y., Chuo Y.J., Shan S.J., Tsai Y.B., Chen Y.I., Pulinets S.A., Yu S.B., 2004. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements. Annales Geophysicae 22 (5), 1585–1593. https://doi.org/10.5194/angeo-22-1585-2004.Liu J.Y., Chuo Y.J., Shan S.J., Tsai Y.B., Chen Y.I., Pulinets S.A., Yu S.B., 2004. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements. Annales Geophysicae 22 (5), 1585–1593. https://doi.org/10.5194/angeo-22-1585-2004.Nosikov I.A., Bessarab P.F., Klimenko M.V., 2016. Method of transverse displacements formulation for calculating the HF radio wave propagation paths. Statement of the problem and preliminary results. Radiophysics and Quantum Electronics 59 (1), 1–12. https://doi.org/10.1007/s11141-016-9670-1.Nosikov I.A., Bessarab P.F., Klimenko M.V., 2016. Method of transverse displacements formulation for calculating the HF radio wave propagation paths. Statement of the problem and preliminary results. Radiophysics and Quantum Electronics 59 (1), 1–12. https://doi.org/10.1007/s11141-016-9670-1.Ойнац А.В. Численное моделирование характеристик декаметровых радиосигналов в рамках метода нормальных волн: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 2009. 28 с.Oynats A.V., 2009. Numerical Simulation of the Characteristics of Decameter Radio Signals in the Framework of the Method of Normal Waves. Author’s brief thesis (Candidate of Physics and Mathematics). Institute of Solar-Terrestrial Physics, Irkutsk, 28 p. (in Russian)Pulinets S.A., Legen’ka A.D., Hegai V.V., Kim V.P., Korsunova L.P., 2018. Ionosphere disturbances preceding earthquakes according to the data of ground based station of the vertical ionospheric sounding Wakkanai. Geomagnetism and Aeronomy 58 (5), 686–692. https://doi.org/10.1134/S0016793218050110.Pulinets S.A., Legen’ka A.D., Hegai V.V., Kim V.P., Korsunova L.P., 2018. Ionosphere disturbances preceding earthquakes according to the data of ground based station of the vertical ionospheric sounding Wakkanai. Geomagnetism and Aeronomy 58 (5), 686–692. https://doi.org/10.1134/S0016793218050110.Pulinets S.A., Ouzounov D.P., Karelin A.V., Davidenko D.V., 2015. Physical bases of the generation of short-term earthquake precursors: A complex model of ionization-induced geophysical processes in the lithosphere-atmosphere-ionosphere-magnetosphere system. Geomagnetism and Aeronomy 55 (4), 521–538. https://doi.org/10.1134/S0016793215040131.Pulinets S.A., Ouzounov D.P., Karelin A.V., Davidenko D.V., 2015. Physical bases of the generation of short-term earthquake precursors: A complex model of ionization-induced geophysical processes in the lithosphere-atmosphere-ionosphere-magnetosphere system. Geomagnetism and Aeronomy 55 (4), 521–538. https://doi.org/10.1134/S0016793215040131.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.