Оценка концентрации электронов и высоты нижней границы ионосферы по данным анализа многомодовых твик-атмосфериков - Статья

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, РАДИОЛОКАЦИЯ И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ _________________________________________________________________________________________________________________По экспериментальным записям твик-атмосфериков (твиков) определены дальности до их источников и эффективные высоты отражения от ионосферы, соответствующие модам первого и высшего порядков волновода Земля-ионосфера. Исследовалось количество наблюдаемых гармоник в твиках в зависимости от дальности до источника, локального времени, и эффективной высоты отражения от ионосферы. Показано, что эффективная высота отражения для первой моды больше на 1,4 км высоты для второй моды, что в рамках анизотропной модели ионосферы позволило оценить плотность электронов в области высоты отражения. В работах [20, 21] предложен метод определения дальности до источника и высоты волновода («харьковский» метод [22]) по фазовому спектру продольной магнитной компоненты поля для 1-й моды, полученному по результатам трехкомпонентных измерений твиков.

1. Ohtsu J. Numerical study of tweeks based on waveguide mode theory / J. Ohtsu // Proc. Res. Inst. Atmos. Nagoya Un-iv. - 1960. - 7. - P. 58-71.

2. Cummer S. A. Lightning and ionospheric remote sensing using VLF/ELF radio atmospherics / S. A. Cummer // Ph. D. dissertation, Department Electrical Engineering of Stanford University. - Stanford. - 1997. - 127 p.

3. Cummer S. A. Ionospheric D-region remote sensing using VLF radio atmospherics / S. A. Cummer, U. S. Inan, T. F. Bell // Radio Science. - 1998. - 33, N 6. - P. 1781-1792.

4. Cummer S. A. Modeling electromagnetic propagation in the Earth-ionosphere waveguide / S. A. Cummer // IEEE Trans. Ant. Prop. - 2000. - 48, N 9. - P. 1420-1429.

5. Recent findings on VLF/ELF spherics / M. Hayakawa, K. Ohta, S. Shimakura, K. Baba // J. of Atmospheric and Terrestrial Physics. - 1995. - 57, N 5. - P. 467-477.

6. Yamashita M. Some considaration of the polarization error in direction finding of atmospherics. I. Effect of the Earths magnetic field / M. Yamashita, K. Sao // J. of Atmospheric and Terrestrial Physics. - 1974. - 36, iss. 10. - P. 1623-1632.

7. Yano S. Waveform analysis of tweek atmospherics / S. Yano, T. Ogawa, H. Hagino // Res. Lett. Atmos. Electr. - 1989. - 9. - P. 31-42.

8. Yano S. Dispersion Characteristics and Waveform Analysis of Tweek Atmospherics / S. Yano, T. Ogawa, H. Hagino // Environmental and Space Electromagnetics, ed. by H. Kikuchi. - Tokyo: Springer-Verlag, 1991. - P. 227-236.

9. Experimental investigation of the tweek field structure / D. Ye. Yedemsky, B. S. Ryabov, A. Yu. Shchokotov, V. S. Yarotsky // Adv. Space Res. - 1992. - 12, N 6. - P. 251-254.

10. Рафальский В. А. Резонансные явления в поперечном сечении промежутка Земля-ионосфера и их влияние на возбуждение и распространение радиоволн: дис. … канд. физ.-мат. наук / В. А. Рафальский. - Х., 1991. - 112 с.

11. Швец А. В. Экспериментальное исследование распространения СНЧ-СДВ атмосфериков и динамика мировой грозовой активности: дис. … канд. физ.-мат. наук / А. В. Швец. - Х., 1994. - 153 с.

12. Михайлова Г. А. Тонкая частотно-временная структура атмосфериков типа «твики» и ОНЧ диагностика параметров ночной нижней ионосферы / Г. А. Михайлова, О. В. Капустина // Геомагнетизм и аэрономия. - 1988. - 28, № 6. - C. 1015-1018.

13. Yamashita M. Propagation of tweek atmospherics / M. Yama-shita // J. Atmos. Terr. Phys. - 1978. - 40, iss. 2. - P. 151-156.

14. Hayakawa M. Wave characteristics of tweek atmospherics deduced from the direction-finding measurement and theoretical interpretation / M. Hayakawa, K. Ohta, K. Baba // J. Geo-phys. Res. - 1995. - 99, N D5. - P. 10733-10743.

27

Ю. В. Горишняя / Оценка концентрации электронов… _________________________________________________________________________________________________________________

15. Shvets A. V. Polarization effects for tweek propagation / A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 1998. - 60, N 4. - P. 461-469.

16. Швец А. В. О поляризационных свойствах твиков // Радиофизика и электрон.: сб. научн. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - Х., 1997. - 2, № 2. - С. 101-106.

17. Швец А. В. Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков / А. В. Швец, Ю. В. Горишняя // Радиофизика и электрон. - 2011. - 16, № 4. - С. 53-59.

18. Gorishnya Y. V. Statistical study of multimodal tweek-atmospherics / Y. V. Gorishnya, A. V. Shvets // Proc. 2010 Intern. Conf. on Math. Methods in Electromagnetic Theory (MMET’2010). - Kyiv. - 2010. - P. 98-101.

19. Shvets A. V. Variations of the lower ionosphere height inferred from “tweek” records / A. V. Shvets, Y. V. Gorishnya // Proc. 2nd Intern. Radio Electronic Forum (IREF’2005). - Kharkiv. - 2005. - Vol. II. - P. 457-459.

20. A time domain direction finding technique for locating wide band atmospherics / A. P. Nickolaenko, V. A. Rafalsky, A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. of Atmospheric Electricity. - 1994. - 14, N 1. - P. 97-107.

21. Rafalsky V. A. One-site distance-finding technique for locating lightning discharges / V. A. Rafalsky, A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. of Atmospheric and Terrestrial Physics. - 1995. - 57, N 11. - P. 1255-1261.

22. Brundell J. B. Validation of single station lightning location technique / J. B. Brundell, C. J. Rodger, R. L. Dowden // Radio Sci. - 2002. - 37, N 4. - P. 1059-1067.

23. Швец А. В. Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков / А. В. Швец, Ю. В. Горишняя // Радиофизика и электрон. - 2010. - 15, № 2. - С. 63-70.

24. Ryabov B. S. Tweek formation peculiarities / B. S. Ryabov // Geomagnetism and Aeronomy (English Translation). - 1994. - 34, N 1. - P. 60-66.

25. Sukhorukov A. I. Approximate solution for the VLF eigenvalues near cutoff frequencies in the nocturnal inhomogeneous earth-ionosphere waveguide / A. I. Sukhorukov, S. Shima-kura, M. Hayakawa // Planetary and Space Science. - 1992. - 40, N 10. - P.1363-1369.

26. Porrat D. Modal Phenomena in the Natural Electromagnetic Spectrum Below 5 KHZ / D. Porrat, P.R. Bannister, A. C. Fraser-Smith // Radio Science. - 2001. - 36, N 3. - P. 409-506.

27. Nighttime D-region electron density measurements from ELF-VLF tweek radio atmospherics recorded at low latitudes / A. K. Maurya, B. Veenadhari, R. Singh et al. // J. Geophys. Res. - 2012. - 117. - A11308 (13 p.).

28. Gorishnya Y. V. The method for estimating of parameters of lower atmosphere through broadcast signals of tweek-atmospherics / Y. V. Gorishnya, A. V. Shvets // Proc. Electromagnetic Methods of Environmental Studies (EMES’2012). - Kharkiv. - 2012. - P. 289-291.

29. Greifinger C. Approximate method for determining ELF eigenvalues in the earth-ionosphere waveguide / C. Greifinger, Ph. Greifinger // Radio Science.- 1978. - 13, N 5. -P. 831-837.

30. Kumar S. Higher harmonic tweek sferics observed at low latitude: estimation of VLF reflection heights and tweek propagation distance / S. Kumar, A. Kishore, V. Ramachandran // Ann. Geophys. - 2008. - 26. - P. 1451-1459.

31. Gorishnya Y. V. Polarization of atmospherics propagating under nighttime ionosphere / Y. V. Gorishnya, A. V. Shvets // Proc. 6th Intern. Kharkov Symp. on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies (MSMW’07). - Kharkov. - 2007. - Vol. 2. - P. 763-765.

Рукопись поступила 27.09.2013.

Y. V. Gorishnya

ELECTRON DENSITY AND LOWER IONOSPHERE HEIGHT ESTIMATIONS BY RESULTS OF ANALYSIS

OF MULTIMODAL TWEEK-ATMOSPHERICS

Tweek-atmospherics (tweeks) are used for low ionosphere investigation together with VHF-radio stations signals. Within the framework of existing tweek propagation models there is a projection of both decrease and increase of effective reflection height with mode index increasing. Therefore, the analysis of experimental data arouses interest and is based on improved method, which allow us to obtain the more detailed estimations of the ionosphere reflection height. For ensemble of experimental records of tweek-atmospherics (tweeks) the source ranges and effective reflection heights were determined, corresponding to Earth-ionosphere waveguide first-order modes and higher-order modes. The observable harmonic number in tweeks according to source range, local nighttime and effective ionosphere reflection height was investigated. The obtained results show the increase of effective reflection height in low ionosphere during the night. These data also demonstrate the increasing of percentage of tweeks with higher-order harmonics in case of effective ionosphere height 87…89 km. The maximum of average tweek harmonic quantity is observed in period of 20…24 hours of local time. The difference between effective reflecting height for the first and second tweek harmonics was observed, which is 1.4 km on the average. Within the framework of anisotropic ionosphere the electron density values were obtained by such measurements at altitudes of tweek reflection. The investigation results allow to select the adequate tweek propagation model and to estimate lower ionosphere parameters.

Key words: low ionosphere diagnostics, ELF-VLF radio waves, tweek-atmospherics, lightning location.

Ю. В. Горішня

ОЦІНКА КОНЦЕНТРАЦІЇ ЕЛЕКТРОНІВ І ВИСОТИ НИЖНЬОЇ МЕЖІ ІОНОСФЕРИ ЗА ДАНИМИ АНАЛІЗУ

БАГАТОМОДОВИХ ТВІК-АТМОСФЕРИКІВ

Твік-атмосферики (твіки), разом з радіопросвічуванням хвилями ДНЧ-радіостанцій, використовуються для вивчення нижньої іоносфери. У рамках існуючих моделей їх поширення поблизу частот відсічення хвилеводу Земля- іоносфера прогнозується як спадання, так и зростання ефективної висоті відображення з ростом порядку хвилеводної моди. Тому становить інтерес аналіз експериментальних даних на основі удосконаленої методики, що дозволяє отримати більш точні оцінки висоти відбиття від іоносфери. За експериментальними записами твік-атмосфериків (твіків) визначено дальності до їх джерел та ефективні висоти відбиття від іоносфери, відповідні модам першого й вищого порядків хвилеводу Земля-іоносфера. Досліджено кількість спостережуваних гармонік в твіках залежно від дальності до джерела, локального часу та ефективної висоті відбиття від іоносфери. Показано, що ефективна висота віддзеркалення твіків ростє протягом ночі. У діапазоні висот відображення 87...89 км спостерігається зростання відносної кількості твіків з вищими гармоніками. Найбільше число гармонік в твіках спостерігається в період 20…24 години локального часу. Показано, що ефективна висота віддзеркалення для першої моди більше на 1,4 км висоти для другої моди, що в рамках анізотропної моделі іоносфери дозволило оцінити щільність електронів в області висоти відображення. Результати дослідження дозволяють вибрати адекватну модель поширення твіків і оцінки параметрів нижньої іоносфери.

Ключові слова: діагностика нижньої іоносфери, ННЧ-ДНЧ-радіохвилі, твік-атмосферики, локація блискавок.

28