Наблюдения ионосферных неоднородностей с помощью U-образных треков на ионограммах

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 306 с.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.