Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах

Описаны результаты наблюдения за временными вариациями амплитуды и доплеровского смещения частоты радиоволн на четырех декаметровых радиотрассах в течение частного (фаза около 0.8) солнечного затмения в Центральной Европе. Обнаружено заметное уширение доплеровских спектров и знакопеременные вариац...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Гармаш, К.П., Леус, С.Г., Черногор, Л.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2011
Назва видання:	Радиофизика и радиоастрономия
Теми:	Радиофизика геокосмоса
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98216
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах / К.П. Гармаш, С.Г. Леус, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 2. — С. 164-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98216
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-982162016-04-11T03:02:18Z Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах Гармаш, К.П. Леус, С.Г. Черногор, Л.Ф. Радиофизика геокосмоса Описаны результаты наблюдения за временными вариациями амплитуды и доплеровского смещения частоты радиоволн на четырех декаметровых радиотрассах в течение частного (фаза около 0.8) солнечного затмения в Центральной Европе. Обнаружено заметное уширение доплеровских спектров и знакопеременные вариации доплеровского смещения частоты, вызванные затмением. Вариации амплитуд под действием затмения были незначительными. Результаты измерений и расчетов эффектов солнечного затмения хорошо соответствовали друг другу. Описано результати спостереження за часо- вими варіаціями амплітуди та доплерівського зсу- ву частоти радіохвиль на чотирьох декаметро- вих радіотрасах впродовж часткового (фаза близько 0.8) сонячного затемнення в Центральній Європі. Виявлено помітне розширення доплері- вських спектрів ізнакозмінні варіації доплерівсь- кого зсуву частоти, викликані затемненням. Варіації амплітуд під дією затемнення були не- значними. Результати вимірювань і розрахунків ефектів сонячного затемнення добре відповіда- ли одне одному. Temporal variations in the amplitude and Doppler shift of frequency observed over four radio circuits during the partial (0.8 magnitude) solar eclipse in Central Europe are described. An appreciable widening of the Doppler spectra and alternating Doppler shifted frequency variations have been revealed to be due to the eclipse. The amplitude variations due to the eclipse were insignificant. Agreement between the measurements and the calculations of the effects is good. 2011 Article Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах / К.П. Гармаш, С.Г. Леус, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 2. — С. 164-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1027-9636 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98216 550.388 ru Радиофизика и радиоастрономия 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 Гармаш, К.П. Леус, С.Г. Черногор, Л.Ф. Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах Радиофизика и радиоастрономия
description	Описаны результаты наблюдения за временными вариациями амплитуды и доплеровского смещения частоты радиоволн на четырех декаметровых радиотрассах в течение частного (фаза около 0.8) солнечного затмения в Центральной Европе. Обнаружено заметное уширение доплеровских спектров и знакопеременные вариации доплеровского смещения частоты, вызванные затмением. Вариации амплитуд под действием затмения были незначительными. Результаты измерений и расчетов эффектов солнечного затмения хорошо соответствовали друг другу.
format	Article
author	Гармаш, К.П. Леус, С.Г. Черногор, Л.Ф.
author_facet	Гармаш, К.П. Леус, С.Г. Черногор, Л.Ф.
author_sort	Гармаш, К.П.
title	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
title_short	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
title_full	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
title_fullStr	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
title_full_unstemmed	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
title_sort	радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Радиофизика геокосмоса
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98216
citation_txt	Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах / К.П. Гармаш, С.Г. Леус, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 2. — С. 164-176. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT garmaškp radiofizičeskieéffektysolnečnogozatmeniâ4ânvarâ2011gnanaklonnyhradiotrassah AT leussg radiofizičeskieéffektysolnečnogozatmeniâ4ânvarâ2011gnanaklonnyhradiotrassah AT černogorlf radiofizičeskieéffektysolnečnogozatmeniâ4ânvarâ2011gnanaklonnyhradiotrassah
first_indexed	2025-07-07T06:12:23Z
last_indexed	2025-07-07T06:12:23Z
_version_	1836967520725106688
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2, с. 164-176 ISSN 1027-9636 © К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор, 2011 УДК 550.388 Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 24 февраля 2011 г. Описаны результаты наблюдения за временными вариациями амплитуды и доплеровского смеще- ния частоты радиоволн на четырех декаметровых радиотрассах в течение частного (фаза около 0.8) солнечного затмения в Центральной Европе. Обнаружено заметное уширение доплеровских спектров и знакопеременные вариации доплеровского смещения частоты, вызванные затмением. Вариации амплитуд под действием затмения были незначительными. Результаты измерений и расчетов эффек- тов солнечного затмения хорошо соответствовали друг другу. Ключевые слова: солнечное затмение, доплеровские спектры, доплеровское смещение частоты, амплитуда отраженного сигнала, радиоволны ВЧ диапазона, наклонные радиотрассы 1. Введение Известно, что солнечное затмение (СЗ) со- провождается значительными изменениями па- раметров среды и геофизических полей в систе- ме Земля – атмосфера – ионосфера – магнито- сфера (ЗАИМ). СЗ вызывает охлаждение атмос- ферного газа, уменьшение давления воздуха, генерацию волн плотности газа, уменьшение концентрации электронов во всех областях ионосферы, уменьшение температур электро- нов и ионов в ионосфере, а также другие про- цессы (см., например, [1-7]). Возмущение параметров среды приводит к значительному изменению свойств атмосфер- но-ионосферного канала распространения радио- волн и существенным вариациям характерис- тик радиоволн различных диапазонов (см., на- пример, [8-12]). В целом регулярные эффекты солнечных зат- мений в системе ЗАИМ и их влияние на канал распространения радиоволн изучены более или менее хорошо. Значительно хуже дело обстоит с исследованием нерегулярных эффектов в сис- теме ЗАИМ и их проявлений в вариациях ха- рактеристик радиоволн различных диапазонов. С одной стороны, прохождение солнечной тени должно сопровождаться развитием гидродина- мических неустойчивостей, турбулизацией ат- мосферного газа и ионосферной плазмы, гене- рацией волновых возмущений и т. п. С другой стороны, особенности нерегулярных эффектов в системе ЗАИМ, сопровождающих СЗ, зави- сят от активности Солнца, состояния косми- ческой погоды, времени суток и т. д. По указанным причинам исследование эф- фектов СЗ в системе ЗАИМ и обусловленных затмением вариаций характеристик радиоволн остается актуальной задачей. Целью настоящей работы является изложе- ние результатов экспериментальных исследова- ний вариаций доплеровских спектров, допле- ровского смещения частоты (ДСЧ) и амплиту- ды отраженных от ионосферы радиоволн на на- клонных декаметровых радиотрассах различной протяженности и ориентации. 2. Общие сведения о затмении Затмение диска Солнца диском Луны 4 янва- ря 2011 г. начало наблюдаться на восходе свети- ла в Северо-Западной Африке, в центре Алжира, Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 165Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 в 06:40 (здесь и далее всемирное время UT). В Марокко главная фаза СЗ, равная 0.37, имела место в 07:38. Затем лунная тень перемещалась по всей Европе и, в частности, двигалась через Испанию, Францию, Германию, Польшу, Бела- русь, Россию и Украину. Максимальная фаза зат- мения (0.86) имела место в Северной Европе. Из Европы тень переместилась в Азию. Крайне незначительным СЗ было в Пакистане (главная фаза, равная 0.09, наблюдалась в 09:46). Затме- ние закончилось на востоке Казахстана в 11:01. В Германии, Польше и Украине главная фаза затмения была практически одинаковой и сос- тавляла около 0.8, а функция покрытия диска max 0.7.A ≈ 3. Состояние космической погоды Состояние космической погоды контроли- ровалось при помощи данных, получаемых на ИСЗ (ACE, GOES-8, GOES-12) и в мировых центрах сбора наземных геомагнитных данных, а именно WDC-С2 в Киото, Япония ( stD -индекс) и AFWA, США ( pK -индекс). Опишем кратко состояние космической по- годы в период с 1 по 5 января 2011 г., которое удобно представлять в терминах временных вариаций концентрации, скорости, температуры и давления солнечного ветра, межпланетного магнитного поля, энергетической функции Акасофу ,ε а также индексов магнитной ак- тивности ( pK и ).stD С 1 по 5 января значения плотности, скорос- ти, температуры и давления солнечного ветра не превышали соответственно 7 31.5 10 м ,−⋅ 420 км/с, 51.3 10⋅ К и 4 нПа. Всплески ε не превышали 6 ГДж/с. Затмению предшествова- ло малосущественное магнитное возмущение (индекс pK изменялся от 0 до 3). Компонента межпланетного магнитного поля zB хаоти- чески варьировалась в пределах (5 6)± ÷ нТл. Малосущественными были флуктуации уровня компоненты zB (около (4 6)± ÷ нТл). Значения индекса stD также хаотически флуктуировали в пределах (10 15)± ÷ нТл. В качестве контрольного дня выбран день 22 декабря 2010 г. Он был исключительно спо- койным. Значения плотности, скорости, темпе- ратуры и давления солнечного ветра не превы- шали соответственно 6 33 10 м ,−⋅ 340 км/с, 43 10⋅ К и 0.4 мПа. Компонента zB изменялась в пределах ~ (1 2)÷ нТл. Индекс stD варьиро- вался от ~2 до ~10 нТл. Значения pK -индекса равнялись 0 и 0 .+ Таким образом, можно утверждать, что день затмения, 4 января 2011 г., и контрольный день, 22 декабря 2010 г., были спокойными. Это об- стоятельство существенно облегчало иденти- фикацию возмущений, вызванных откликом средней ионосферы на СЗ. Состояние ионосферы над регионом частно- го затмения с фазой около 0.8 контролировалось при помощи ионозонда “Базис” (вблизи с. Гай- дары, Украина географические координаты: 49 36′° с. ш. 36 18′° в. д.), ионозонда DPS-4 (вбли- зи с. Юлиусрух (Juliusruh), Швеция, географи- ческие координаты: 58 38′° с. ш., 13 32′° в. д.) и ионозонда DPS-4 (вблизи с. Прухониц (Pruhoni- ce), Чехия, географические координаты: 50° с. ш., 14 36′° в. д.). Заметим, что ионозонды, располо- женные вблизи с. Гайдары и с. Прухониц, нахо- дятся примерно на одной и той же широте, а ионозонды, дислоцирующиеся возле с. Прухониц и с. Юлиусрух, находятся примерно на одной и той же долготе. 4. Средства и методы Для измерения ДСЧ и амплитуды отраженно- го сигнала (АОС) использовался приемный про- граммно-аппаратный комплекс, описанный в ра- боте [13]. Его основные параметры следующие: диапазон рабочих частот 1 31÷ МГц, нестабиль- ность частоты ~0.01 Гц, разрешающая способ- ность по частоте ~0.01 Гц. Комплекс расположен в обсерватории Харьковского национального уни- верситета имени В. Н. Каразина (вблизи с. Гра- ково Харьковской области, Украина, географичес- кие координаты: 49 39′° с. ш., 36 56′° в. д.). Для изучения ионосферных эффектов СЗ и их влияния на характеристики радиоволн выбраны четыре радиотрассы. Первые две – слабо наклонные, Гайдары – Граково, на час- тотах f, равных 3.2 и 4.2 МГц. Радиоволны с такими частотами отражались на высотах 145 160÷ и 190 215÷ км соответственно. Это позволило изучить эффекты СЗ в F-области ионосферы. В качестве источника сигналов на частотах 3.2 и 4.2 МГц использовался доп- леровский ВЧ радар, расположенный в Радио- физической обсерватории Харьковского нацио- нального университета имени В. Н. Каразина (вблизи с. Гайдары Харьковской области, Ук- раина, географические координаты: 49 38′° с. ш., К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2166 36 20′° в. д.). Расстояние между радиопере- дающим и радиоприемным устройствами R, Гайдары – Граково, составляет около 50 км. Для исследования эффектов СЗ в E-области ионосферы выбраны две сильно наклонные ра- диотрассы. В качестве источника взяты радио- сигналы вещательных декаметровых радиостан- ций, передатчики которых расположены прибли- зительно на той же широте, что и приемный комплекс. Радиостанция, вещающая на частоте 6.005f ≈ МГц, находится на территории ФРГ в г. Калл (Kall) с географическими координа- тами: 50 28′° с. ш., 06 31′° в. д.; передатчик имеет мощность 100P ≈ кВт и находится на рас- стоянии 2100R ≈ км от приемного комплекса. Вещание на частоте 6.075f ≈ МГц в рассмат- риваемый период осуществлялось с помощью передатчика, размещенного в Англии в г. Скел- тон (Skelton) с географическими координатами: 54 44′° с. ш., 02 54′° в. д.; мощность передат- чика 300P ≈ кВт, а 2600R ≈ км. Середина односкачковых радиотрасс Калл – Граково и Скелтон – Граково находится над Польшей. 5. Результаты наблюдений Вариации доплеровских спектров. Вре- менные вариации доплеровских спектров (ДС) в день СЗ и в контрольный день приведены на рис. 1. Из рисунка видно, что в контрольный день на слабо наклонных трассах (частоты 3.2 и 4.2 МГц) спектры были практически одномо- довыми. На большей частоте ДС лишь слегка “размыты”. На сильно наклонных трассах, кото- рым соответствовали частоты 6.005 и 6.075 МГц, ДС существенно “размывались”, особенно в интервале времени с 07:00 до 10:00. Ширина ДС достигла 1.5 Гц, но основная энергия кон- центрировалась в полосе частот 0.3 05÷ Гц. В день СЗ поведение ДС было иным. До на- чала затмения ДС на частотах 3.2 и 4.2 МГц были практически одномодовыми. Вблизи глав- ной фазы СЗ ширина ДС достигала 1 и 1.3 Гц соответственно. Это продолжалось не менее 1 ч (примерно до 09:50). ДС оставались отчасти “размытыми” и после окончания затмения в течение около 2 ч. На радиотрассах с часто- тами 6.005 и 6.075 МГц ДС были “размытыми” в течение всего времени наблюдений. Наиболь- шее уширение спектров имело место в интер- вале времени с 08:30 до 10:00. Ширина спект- ров при этом достигала 1.2 Гц. Достаточно уверенно наблюдались две моды, одной из ко- торых соответствовало ДСЧ, равное нулю. Далее опишем временные вариации состав- ляющей в ДС, имеющей наибольшую энергию. Такие вариации именуются вариациями ДСЧ. Вариации ДСЧ и АОС. Здесь и далее опи- сываются временные вариации ДСЧ и АОС, усредненные по тридцати минутам. Временные зависимости ДСЧ и АОС на час- тоте 3.2 МГц в контрольный день и день затме- ния показаны на рис. 2. Из рисунка видно, что в день СЗ изменения во времени ДСЧ и АОС в целом были достаточно нерегулярными. Усредненные значения ДСЧ изменялись во времени следующим образом. До начала СЗ значение ДСЧ было около 0.085 Гц. После 07:20 оно постепенно уменьшалось и достигло пример- но –0.02 Гц в интервале времени 08:10 – 08:30. Около 08:35 ДСЧ равнялось нулю. Затем оно стало положительным и достигло максимально- го значения около 0.08 Гц в интервале времени 09:40 – 09:55. Вблизи 10:30 ДСЧ снова стало равным нулю, далее усредненные значения ДСЧ флуктуировали в пределах 0.02 0.04÷ Гц. Поведение усредненных значений АОС было следующим. Примерно за 1 ч до начала СЗ ам- плитуда медленно уменьшалась от 41.6 10 о. е.⋅ примерно в два раза. Уменьшение с такой же скоростью продолжалось до 08:10. С 08:10 до 08:50 имело место увеличение АОС от 34 10⋅ до 38 10 о. е.⋅ Далее в течение примерно 50 мин амплитуда оставалась неизменной. После 09:40 наблюдалось медленное уменьшение АОС от 36 10⋅ до 3(3 4) 10 о. е.÷ ⋅ В контрольный день усредненное поведение ДСЧ во времени было более монотонным. В частности, отсутствовало уменьшение ДСЧ в интервале времени 08:00 – 08:30 и его заметное увеличение в интервале времени 09:20 – 10:10. Временные вариации АОС в контрольный день и день СЗ отличались в целом незначи- тельно, за исключением интервалов времени 08:10 – 09:40 и 09:40 – 10:30. В первом интервале амплитуда в контрольный день составляла 3(3.5 4) 10 о. е.,÷ ⋅ а в день СЗ – 3(7 8) 10 о. е.,÷ ⋅ т. е. была примерно вдвое больше. Во втором интервале в контрольный день амплитуда была 3(4 6) 10 о. е.,÷ ⋅ а в день СЗ – 3(3 4) 10 о. е.,÷ ⋅ т. е. в 1.3 1.5÷ раза меньше. Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 167Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 Рис. 1. Временные вариации ДС в день затмения 4 января 2011 г. (левые панели) и в контрольный день 22 декабря 2010 г. (правые панели) на частотах 3.2, 4.2, 6.005 и 6.075 МГц (панели сверху вниз). Здесь и далее вертикальные линии показывают моменты начала, главной фазы (около 08:45 для сильно наклон- ных трасс и около 09:00 для слабо наклонных трасс) и окончания затмения вблизи вершины траектории радиоволны К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2168 Рис. 2. Временные вариации ДСЧ и АОС на частоте 3.2 МГц в контрольный день 22 декабря 2010 г. (верхние панели) и в день затмения (нижние панели). Здесь и на последующих рисунках пунктиром показаны результа- ты усреднения на интервале времени 30 мин Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 169Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 Временные вариации ДСЧ и АОС на час- тоте 4.2 МГц показаны на рис. 3. Обе харак- теристики радиоволны сильно флуктуирова- ли во времени. В день СЗ за 1 ч до его на- чала ДСЧ в среднем составляло около 0.1 Гц. Примерно с 07:20 и до 08:10 имело место уменьшение ДСЧ от 0.1 до –0.15 Гц. Затем ДСЧ увеличивалось в течение 30 мин от –0.1 до 0.075 Гц. Последующие 100 мин ДСЧ не- значительно флуктуировало в пределах 0.06 0.11÷ Гц. Примерно после 10:30 ДСЧ стало отрицательным. До начала затмения АОС в среднем равнялась 42 10 о. е.⋅ В интер- вале времени 07:40 – 09:00 она уменьшалась от 42 10⋅ до 32 10 о. е.⋅ Далее в течение при- мерно 100 мин амплитуда незначительно изме- нялась (от 32 10⋅ до 33 10 о. е.).⋅ В контрольный день ДСЧ в среднем варьи- ровалось незначительно, от –0.05 до 0.1 Гц. Средние значения АОС были близки к 410 о. е. Опишем далее временные вариации ДСЧ и АОС на сильно наклонных радиотрассах. На частоте 6.005 МГц (рис. 4) ДСЧ на ста- дии покрытия диска Солнца было отрицатель- ным (около –0.2 Гц). После 08:30 оно становит- ся положительным. Максимальное значение ДСЧ, равное 0.4 Гц, имело место в 09:37. Поведение АОС было следующим. Пример- но до 08:40 она равнялась 41.8 10 о. е.⋅ С 08:40 и до 10:50 АОС в основном убывала от 410 до 26 10 о. е.⋅ Далее она варьировалась незна- чительно. В контрольный день на частоте 6.005 МГц поведение ДСЧ было иным. В интервале вре- мени 08:00 – 10:00 оно было положительным и постепенно уменьшалось от 0.2 до 0 Гц. Далее примерно в течение двух часов ДСЧ флуктуировало возле 0 Гц. АОС практически монотонно уменьшалась от 42 10⋅ до 310 о. е. с 08:00 до 11:00. На частоте 6.075 МГц (рис. 5) до нача- ла затмения ДСЧ уменьшалось от 0.4 до 0 Гц. На стадии покрытия диска Солнца ДСЧ пос- тепенно уменьшалось от 0.16 до –0.03 Гц. Минимальное значение ДСЧ наблюдалось в ин- тервале времени 08:10 – 08:20. Далее ДСЧ уве- личивалось и достигло максимального значения, равного 0.46 Гц около 09:20. Затем оно посте- пенно уменьшалось от 0.46 до –0.30 Гц. Послед- нее имело место в интервале 11:30 – 11:40. АОС на частоте 6.075 МГц с 06:30 до 12:00, незначительно флуктуируя, уменьшилась от 72 10⋅ до 47 10 о. е.⋅ В контрольный день ДСЧ с 06:30 до 07:15 увеличивалось от 0.10 до 0.35 Гц, а затем мед- ленно убывало от 0.35 до 0 Гц. В интервале времени 10:20 – 12:20 ДСЧ было близко к нулю. АОС в интервале времени 06:30 – 07:40 сла- бо изменялась. Затем имело место практичес- ки монотонное убывание в течение четырех часов усредненных значений АОС от 66 10⋅ до 510 о. е. 6. Результаты расчетов Основные соотношения для ДСЧ. Исходя из определения ДСЧ для радиоволны с траек- торией s, имеем: d d( ) ( )d , d d p d s Lf ff t n s s c t c t = − = − ∫ (1) где ( )dp s L n s s= ∫ – фазовый путь, n – показа- тель преломления, c – скорость света в вакуу- ме, f – частота радиоволны. Поскольку ( ),p pL L n= ( ),n n N= ( )( ) ,N N A t= где N – концентрация электро- нов, ( )A t – функция покрытия диска Солнца, из (1) следует, что d d d d( ) . d d d d p d Lf n N Af t c n N A t = − Всегда d d 0.pL n > Для плазмы d d 0,n N < при затмении d d 0.N A < Поэтому знак df определяется знаком d d .A t До начала СЗ, в момент его главной фазы и после окончания СЗ d d 0.A t = До наступления главной фазы d d 0,A t > 0,df < после нее – d d 0,A t < 0.df > Максимальное по модулю значение ДСЧ имеет место в моменты времени 0 ,t ког- да модуль произведения (d d )(d d )N A A t дос- тигает максимума. Таких момента два: при 0 4t = τ и 0 3 4,t = τ где τ – продолжительность затмения. При 180τ ≈ мин, 0 45τ ≈ мин и 0 135t ≈ мин. К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2170 Рис. 3. Временные вариации ДСЧ и АОС на частоте 4.2 МГц в контрольный день 22 декабря 2010 г. (верхние панели) и в день затмения (нижние панели) Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 171Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 Рис. 4. Временные вариации ДСЧ и АОС на частоте 6.005 МГц в контрольный день 22 декабря 2010 г. (верхние панели) и в день затмения (нижние панели). Вертикальные линии показывают моменты главной фазы и окончания затмения К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2172 Рис. 5. Временные вариации ДСЧ и АОС на частоте 6.075 МГц в контрольный день 22 декабря 2010 г. (верхние панели) и в день затмения (нижние панели) Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 173Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 Таким образом, в стационарных условиях (когда в отсутствие СЗ ( ))N N t≠ следует ожи- дать, что затмение приведет сначала к умень- шению df до min ( 4),d df f= τ затем к его уве- личению, обращению в нуль при 2,t = τ даль- нейшему росту и достижению max (3 4)d df f= τ с последующим уменьшением до нуля. Если фоновые значения N зависят от времени, зави- симость ( )df t становится более сложной, что обычно и наблюдается в действительности. При линейном законе изменения концентра- ции электронов N от высоты z и вертикальной трассы из (1) можно получить следующее приближенное выражение [11, 12]: 0 0 8 , 3 N d L Nf f c t N ΔΔ = Δ (2) где ( ) 1 0 d dNL N N z −= – вертикальный масш- таб изменения N; tΔ – продолжительность из- менения ДСЧ на величину ;dfΔ 0N NΔ – отно- сительное возмущение N; 0N – невозмущен- ная концентрация электронов. С использованием ионограммы вертикаль- ного зондирования было установлено, что в начале СЗ радиоволны с частотами 3.2, 4.2 МГц на слабо наклонной трассе и 6.075 МГц на сильно наклонной трассе отражались на вы- сотах около 145, 190 и 95 км соответственно. На этих высотах масштаб 0NL принимал зна- чения около 45, 45 и 4 км соответственно. Возмущение концентрации электронов, вызванное СЗ. Для расчета dfΔ необходимо вычислить 0 .N NΔ В верхней части D-области, в E-области и нижней части (до 170 180÷ км) F-области ионосферы справедлив квадратичный закон рекомбинации (см., например, [13]). При выпол- нении условия квазистационарности ( )d d 0N t ≈ имеем 0 1 .N N A= − Учитывая, что минимальное значение ДСЧ имело место примерно через 40 50tΔ = ÷ мин после начала СЗ, max 2.A A≈ Для выбран- ных трасс max 0.70.A ≈ При этом для квадра- тичного закона рекомбинации 0 0.81,N N ≈ 0 0 1 0.19.N N N NΔ = − = − При maxA A= имеем 0 0.55,N N ≈ 0 0.45.N NΔ ≈ − На высотах 180 250÷ км, где градиент по- тока частиц плазмы мал, локально справедлив линейный закон рекомбинации (см., напри- мер, [13]). Тогда при max 2A A≈ для квазиста- ционарных условий имеем 0 max1 2 0.65.N N AΔ = − ≈ При этом 0 0.35.N NΔ = − В момент наступ- ления главной фазы max .A A= Тогда 0 0.30,N N ≈ 0 0.70.N NΔ ≈ − Приведенные данные позволяют теорети- чески оценить максимальное изменение ДСЧ dtfΔ и сравнить его с экспериментально полу- ченным значением .defΔ Результаты сравнения для 4tΔ = τ приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что значения оценок, полученные с ис- пользованием (2), и эксперимента хорошо соот- ветствуют друг другу. Наклонные радиотрассы. Для наклонных трасс в формуле (2) характерный масштаб 0NL следует заменить на 0 sin ,N NL L= α где α – угол между радиолучом на входе в ионосферу и горизонталью. Для слабо наклонных трасс 90α ≈ ° и 0.N NL L≈ Для сильно наклонных трасс 2 ,rz Rα ≈ где rz – высота отражения радиоволны, R – расстояние между радиопере- дающим и радиоприемным устройствами. Для радиотрассы с 6.075f = МГц высоту отражения rz можно оценить исходя из закона Таблица 1. ДСЧ, продолжительность убывания ДСЧ на различных трассах и параметры среды f, МГц 3.2 4.2 6.075 , Гцdef –0.10 –0.25 –0.19 , Гцdtf –0.10 –0.24 –0.18 , минtΔ 40 40 50 , кмNL 45 45 55 0N NΔ –0.215 –0.355 –0.19 max 0N NΔ –0.43 –0.71 –0.45 02K 0.37 0.25 0.8 2K 0.16 0.11 0.34 0A AΔ 0.24 0.16 0.61 К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2174 Снеллиуса для сферически слоистых сред. Условие отражения радиоволны в плазменной изотропной сферически слоистой среде (ионос- фере) имеет вид (см., например, [14, 15]): 2 0 ( ) , 1 cos p r e e r f z f R n R z = ⎛ ⎞− α⎜ ⎟+⎝ ⎠ (3) где eR – радиус Земли, pf – плазменная час- тота, 0 1n ≈ – показатель преломления на гра- нице ионосферы. При r ez R и 1α из (3) получаем следующее приближенное (с точ- ностью до членов второго порядка малости) соотношение для вычисления :rz 2 2 ( ) 2 2 3 .r r r p r e e z z zf z f R R R ⎛ ⎞ ⎛ ⎞≈ + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (4) Для 6.075f = МГц, 2600R ≈ км из (4) имеем, что до СЗ 0 95r rz z= ≈ км, 0( )p rf z ≈ 1.1 МГц. В течение затмения N и pf уменьша- лись (см. выше). Это приводило к увеличению rz примерно до 100 км. Уширение ДС. Далее опишем возможный механизм уширения ДС. При рассеянии радио- волн плазменными неоднородностями имеет место уширение ДС. Ширина спектра при этом может быть оценена из соотношения [10, 11]: ,f N t t f L l c σ = β σ τ где β – коэффициент, зависящий от формы про- филя 0 ( );N z ( )22 0N N Nσ = δ – относительная интенсивность флуктуаций 0;N tL – толщина турбулентного слоя; l – размер эффективно рас- сеивающих неоднородностей; tτ – характер- ное время существования неоднородностей. При брэгговском рассеянии 2,l = λ где λ – длина радиоволны, отраженной от ионосферы. Предположим, что уширение ДС вызвано рас- падом случайных неоднородностей N. Характер- ное время распада неоднородностей 2 .t l Dτ = Здесь ,t aD D D= + tD и aD – коэффициен- ты турбулентной и амбиполярной диффузии. На высотах до 100 110÷ км их распад обус- ловлен турбулентной диффузией. При этом коэффициент турбулентной диффузии tD на этих высотах порядка 3 210 м с. Время “расплыва- ния” неоднородностей 2 2 4 0.6t tl D Dτ = = λ ≈ с для 25l ≈ м. С турбулентной диффузией свя- зано уширение ДС для радиоволны с частотой 6.075 МГц, которая отражалась на высотах 100z ≤ км. Уширение ДС на частотах 3.2 и 4.2 МГц обусловлено “расплыванием” плазменных неодно- родностей за счет процесса амбиполярной диф- фузии. На высотах 120 200z ≈ ÷ км коэффициент амбиполярной диффузии 3 5 210 10 м с.aD ≈ ÷ Тогда 0.004 0.1tτ ≈ ÷ с. Результаты расчета fσ для различных трасс приведены в табл. 2. Видно, что 1.0 1.3fσ ≈ ÷ Гц. Примерно такие же значения fσ наблюдались экспериментально. Вариации АОС. Оценим изменение ампли- туды принимаемого сигнала. Модельные рас- четы показали, что в отсутствие СЗ интеграль- ный коэффициент поглощения при двухкратном прохождении слоя ионосферы 02K составлял 0.37, 0.25 и 0.80 для трасс с частотами 3.2, 4.2 и 6.075 МГц соответственно (см. табл. 1). Вблизи момента наступления главной фазы ( )0 0 min2 2 .K K N N= Δ Тогда относительное изменение АОС 02( ) 0 1.K KA A e −Δ = − Таблица 2. Параметры радиоволны и турбулент- ности f, МГц 3.2 4.2 6.075 0, кмrz 145 190 95 , кмrz 160 215 100 2, м /сD 38 10⋅ 410 310 , ctτ 0.28 0.13 0.62 , кмtL 10 10 100 Nσ 22 10−⋅ 21.3 10−⋅ 21.2 10−⋅ , Гцfσ 1 1.3 1.2 Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах 175Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2 Результаты расчета 0A AΔ приведены в табл. 1. Видно, что для слабо наклонных радиотрасс относительные изменения АОС не превышают нескольких десятков процентов, а для сильно наклонных трасс – 60 %. Добавим, что при расчетах 2K для частоты 4.2 МГц учитывалось, что основное погло- щение радиоволны имело место на высотах нижней ионосферы, где уменьшение N не пре- вышало 45 % (см. табл. 1). 7. Обсуждение Значительное уширение ДС в день зат- мения объясняется усилением многолучевос- ти из-за интенсификации атмосферной и плаз- менной турбулентностей. Экспериментальные зависимости ДСЧ от времени для всех радиотрасс в среднем соответствовали теоретическим представле- ниям об изменениях ( ),df t описанным выше. Естественно, что на усредненный временной ход ( )df t накладывались нерегулярные вариа- ции, связанные с волновыми возмущениями N в ионосфере. Рассчитанные значения ДСЧ dtf и экспери- ментально наблюдаемые значения ДСЧ def хо- рошо согласуются между собой (см. табл. 1). Это, в частности, означает, что СЗ действи- тельно вызвало уменьшение N примерно на 19 и 35 % в момент времени 4τ после начала затмения на высотах E- и нижней части F-об- ласти, а также в средней части F-области ионос- феры соответственно. Вблизи главной фазы эти уменьшения составили 45 и 70 % соответствен- но (см. табл. 1). Изменения АОС в течение затмения уве- ренно обнаружить не удалось. Это объясняет- ся следующим. С одной стороны, эти измене- ния были относительно небольшими, а с другой стороны, суточные вариации и флуктуации ам- плитуды были значительными (достигали по- рядка величины). Можно утверждать, что временные вариа- ции ДСЧ и ДС в основном были такими же, как и при наблюдении других затмений [4, 11, 12]. Естественно имели место количественные раз- личия, связанные с состоянием космической погоды, временем наступления СЗ, выбором трасс и т. п. 8. Выводы 1. Наблюдения показали, что СЗ сопровож- далось уширением ДС до 1 1.3÷ Гц. 2. Обнаружено, что затмение привело сна- чала к уменьшению ДСЧ на 0.10 0.25÷ Гц, а затем к его увеличению примерно на такую же величину на всех радиотрассах. 3. Из-за влияния многолучевости и, как след- ствие, замираний уровня радиосигнала не уда- лось надежно выявить в течение СЗ увеличение АОС, обусловленное уменьшением поглощения радиоволн. 4. Результаты измерений и расчетов допле- ровского эффекта на всех радиотрассах хоро- шо соответствовали друг другу (отличались между собой на единицы процентов). Литература 1. Salah J. F., Oliver V. L., Foster J. C., and Holt J. M. Observations of the May 30, 1984, annual solar eclipse at Millstone Hill // J. Geophys. Res. – 1986. – Vol. 91, No. A2. – P. 1651-1660. 2. Afraimovich E. L., Kosogorov E. A., and Lesyuta O. S. Effects of August 11, 1999 total solar eclipse as de- duced from total electron content measurements at the GPS network // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. – 2002. – Vol. 64, No. 18. – P. 1933-1941. 3. Le H., Liu L., Yul X., and Wan W. The ionospheric responses to the 11 August 1999 solar eclipse: obser- vations and modeling // Ann. Geophys. – 2008. – Vol. 26. – P. 107-116. 4. Акимов Л. А., Григоренко Е. И., Таран В. И., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Комплексные ра- диофизические и оптические исследования дина- мических процессов в атмосфере и геокосмосе, вызванных солнечным затмением 11 августа 1999 года // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. – 2002. – № 2. – С. 25-63. 5. Акимов А. Л., Боговский В. К., Григоренко Е. И., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Атмосферно-ионосфер- ные эффекты солнечного затмения 31 мая 2003 года в Харькове // Геомагнетизм и аэрономия. – 2005. – Т. 45, №4. – С. 526-551. 6. Бурмака В. П., Григоренко Е. И., Емельянов Л. Я., Лысенко В. Н., Ляшенко М. В., Черногор Л. Ф. Радар- ные наблюдения эффектов в геокосмосе, вызванных частным солнечным затмением 29 марта 2006 г. // Успехи современной радиоэлектроники. – 2007. – № 3. – С. 38-53. К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Черногор Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №2176 7. Григоренко Е. И., Ляшенко М. В., Черногор Л. Ф. Эффекты в ионосфере и атмосфере, вызванные сол- нечным затмением 29 марта 2006 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2008. – Т. 48, №3. – С. 350-364. 8. Каримов Р. Р., Козлов В. И., Муллаяров В. А. Особен- ности вариаций характеристик ОНЧ-сигналов при прохождении лунной тени по трассе в период сол- нечного затмения 29 марта 2006 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2008. – Т. 48, № 2. – С. 250-254. 9. Кащеев С. Б., Зализовский А. В., Колосков А. В., Галушко В. Г., Пикулик И. И., Ямпольский Ю. М., Куркин В. И., Литовкин Г. И., Орлов А. И. Вариации частоты КВ сигналов на протяженных трассах во вре- мя солнечного затмения // Радиофизика и радиоаст- рономия. – 2009. – Т. 14, №4. – С. 353-366. 10. Черногор Л. Ф. Вариации амплитуды и фазы ОНЧ радиоволн в ионосфере в период солнечного затме- ния 1 августа 2009 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2010. – Т. 50, №1. – С. 96-106. 11. Черногор Л. Ф. Волновой отклик ионосферы на частное солнечное затмение 1 августа 2008 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2010. – Т. 50, №3. – С. 361-376. 12. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Статистические характеристики доплеровских спектров радиосигна- лов, отраженных от естественно-возмущенной ионосферы // Радиофизика и радиоастрономия. – 2010. – Т. 15, №1. – С. 24-38. 13. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионо- сферы. – М.: Наука, 1988. – 528 с. 14. Яковлев О. Н., Якубов В. П., Урядов В. П., Па- вельев А. Г. Распространение радиоволн: Учеб- ник / Под ред. О. Н. Яковлева. – М.: ЛЕНАНД, 2009. – 496 с. 15. Черногор Л. Ф. Физика космоса и астрофизика: Учебное пособие. – Харьков: ХГУ им. А. М. Горько- го, 1990. – 136 с. Радіофізичні ефекти сонячного затемнення 4 січня 2011 р. на похилих радіотрасах К. П. Гармаш, С. Г. Леус, Л. Ф. Чорногор Описано результати спостереження за часо- вими варіаціями амплітуди та доплерівського зсу- ву частоти радіохвиль на чотирьох декаметро- вих радіотрасах впродовж часткового (фаза близько 0.8) сонячного затемнення в Центральній Європі. Виявлено помітне розширення доплері- вських спектрів і знакозмінні варіації доплерівсь- кого зсуву частоти, викликані затемненням. Варіації амплітуд під дією затемнення були не- значними. Результати вимірювань і розрахунків ефектів сонячного затемнення добре відповіда- ли одне одному. January 4, 2011 Solar Eclipse Effects over Radio Circuits at Oblique Incidence K. P. Garmash, S. G. Leus, and L. F. Chernogor Temporal variations in the amplitude and Doppler shift of frequency observed over four radio circuits during the partial (0.8 magnitude) solar eclipse in Central Europe are described. An appreciable widening of the Doppler spectra and alternating Doppler shifted frequency variations have been revealed to be due to the eclipse. The amplitude variations due to the eclipse were insignificant. Agreement between the measure- ments and the calculations of the effects is good.

Радиофизические эффекты солнечного затмения 4 января 2011 г. на наклонных радиотрассах

Репозитарії

Схожі ресурси