Исследование волновых возмущений в среднеширотной мезосфере по данным ОНЧ-радиостанций

Рубрика: 
Космическая и атмосферная физика
Федоренко, АК, Крючков, ЕИ, Черемных, ОК, Жук, ИТ, Войцеховская, АД
Косм. наука технол. 2019, 25 ;(1):48-61
https://doi.org/10.15407/knit2019.01.048
Язык публикации: Украинский
Аннотация: 
Широкая мировая сеть передатчиков и приемников радиоволн очень низких частот (ОНЧ) позволяет систематически исследовать состояние нижней ионосферы в глобальном масштабе. Однако определение характеристик ионосферной плазмы и нейтральной атмосферы по данным измерений амплитуд и фаз ОНЧ радиосигналов сталкивается со значительными трудностями. Их причиной есть сложный характер взаимодействия радиоволн со средой при их отражении от ионосферы, а также сложность химических процессов, протекающих при участии заряженных и нейтральных частиц в нижней ионосфере. В данной работе в рамках представлений геометрической оптики исследована возможность определения свойств акустико-гравитационных волн по данным измерений амплитуд радиосигналов на относительно коротких трассах (протяженностью менее 1500 км).
       Проанализированы возможные физические механизмы влияния распространения акустико-гравитационных волн на ионосферных высотах на амплитуды ОНЧ-радиосигналов. Получены теоретические соотношения, позволяющие рассчитать флуктуации электронной концентрации, вертикальное смещение высоты отражения радиосигналов и оценить амплитуды флуктуаций нейтральной концентрации вследствие распространения акустико-гравитационных волн. Исследованы сезонные и суточные флуктуации амплитуд ОНЧ-радиоволн на нескольких европейских трассах в течение 2013¾2014 гг., для чего были использованы данные передатчиков на станциях в Германии (DHO38), Великобритании (GQD) и Италии (ICV) с пунктом приема во Франции (А118). Проанализированы особенности флуктуаций амплитуд радиосигналов в дневных и ночных условиях. По измерениям амплитуд ОНЧ-радиосигналов рассчитан приближенный фоновый уровень акустико-гравитационных волн на высотах отражения, который составляет 200¾400 м для флуктуаций вертикального смещения объема и 1¾2 % для флуктуаций относительной концентрации нейтральных частиц. Показано, что фоновые уровни АГВ в мезосфере средних широт днем на высотах 70 км и ночью на высотах 90 км близки по величине.
Ключевые слова: акустико-гравитационная волна, ионосферное возмущение, очень низкочастотная радиоволна
Полный текст (PDF)
References: 
1. Bezrodny V. G., Bliokh P. B., Shubova R. S., Yampolskiy Yu. M. Fluctuations of superlong radio waves in the Earth-Ionosphere waveguide. 144 p. (Nauka, M., 1984) [in Russian].
2. Brunelli B. E., Namgaladze A. A. Physics of ionosphere. 528 p. (Nauka, M, 1988) [in Russian]. 
3. Danilov A. D., Kazimirovskiy E. S., Vergasova G. V., Khachikyan G. Y. Meteorological effects in ionosphere. 272 p. (St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 1987) [in Russian]. 
4. Fedorenko A. K., Kryuchkov E. I. Distribution of medium-scale acoustic gravity waves in polar regions according to satellite measurement data. Geomagn. Aeron., 51 (4), 520—533 (2011) [Engl. Transl.]. 
5. Fedorenko A. K., Kryuchkov E. I. Observed features of acoustic gravity waves in the heterosphere. Geomagn. Aeron., 54 (N 1), 109—116 (2014) [Engl. Transl.]. 
6. Berry L. A. Wave Hop Theory of Long Distance Propagation of Low-Frequency Radio Waves. Radio Science Journal of Research., 68D (N12), 1275—1284 (1964).
7. Dudis J. J., Reber C. A. Composition effects in thermospheric gravity waves. Geophys. Res. Lett., 3 (N 12), 727— 730 (1976).
8. Fedorenko A. K., Bespalova A. V, Cheremnykh O. K, Kryuchkov E. I. A dominant acoustic-gravity mode in the polar thermosphere. Ann. Geophys., 33, 101—108 (2015).
doi:10.5194/angeo-33-101-2015. 
9. Fedorenko A. K., Kryuchkov E. I., Cheremnykh O. K., Klymenko Yu. O., Yampolski Yu. M. Peculiarities of acoustic-gravity waves in inhomogeneous flows of the polar thermosphere. Journal of Atmospheric and SolarTerrestrial Physics, 178, 17—23 (2018). 
doi.org/10.1016/j. jastp.2018.05.009. 
10. Ferguson J. A. Computer Programs for Assessment of Long-Wavelength Radio Communications. Space and Naval Warfare Systems Center, San Diego, CA (Version 2.0) (1998). 
11. Ferguson J. A., Snyder F. P. Approximate VLF/LF mode conversion model. Technical Document, 400. Naval Ocean Systems Center, San Diego, California, USA (1980). 
12. Grubor D., Sulic D., Zigman V. Influence of splar X-ray flares on the earth ionosphere wave guide. Serb. Astron., 171, 29—35 (2005). 
13. Hines C. O. Internal gravity waves at ionospheric heights. Can. J. Phys., 38, 1441—1481 (1960). 
14. Kolarski A., Grubor D. Comparative Analysis of VLF Signal Variation along Trajectory Induced by X-ray Solar Flares. J. Astrophys. Astr., 36 (4), 565—579 (2015). 
15. Kuang L. K., Liu Zh., Füllekrug M. Lower Ionosphere Effects on Narrowband Very Low Frequency Transmission Propagation: Fast Variabilities and Frequency Dependence. Radio Sci., 53 (5), 611—623 (2018).
https:// doi.org/10.1002/2017RS006456. 
16. Makhlouf U. R., Dewan E. A., Isler J., Tuan T. F. On the importance of the purely gravitationally induced density, pressure and temperature variations in gravity waves: Their application to airglow observations. J. Geophys. Res., 95, 4103—4111 (1990). 
17. Nina A., Cadež V. M. Detection of acoustic-gravity waves in lower ionosphere by VLF radio waves. Geophys. Res. Lett., Issue 18(40), 4803—4807 (2013). 
doi:10.1002/ grl.50931. 
18. Rozhnoi A., Hayakava M., Solovieva M., Hobara Y., Fedun V. Ionospheric effects of the Mt. Kirishima volcanic eruption as seen from subionospheric VLF observations. J. of Atmos. and Solar-Terr. Phys., 107, 54—59 (2014). 
doi. org/10.1016/j.jastp.2013.10.014. 
19. Simkhada D. B., Snively J. B., Taylor, M. J., Franke S. J. Analysis and modeling of ducted and avanescent gravity waves observed in the Havaiian airglow. Ann. Geophys., 27, 3213—3224 (2009). 
20. Thomson N. R. Experimental daytime VLF ionospheric parameters. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 55 (2), 173—184 (1993). 
21. Wait J. R., Spies K. P. Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves. National Bureau of Standards, Technical Note. N 300 (1964). 
22. Yoshida Y., Yamauchi T., Horie T., Hayakawa M. On the generation mechanism of terminator times in subionospheric VLF/ELF propagation and its possible application to seismogenic effects. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 8, 129—134 (2008).