Индексы Индексы глобальной активности ионосферы по радиозатменным данным глобальной активности ионосферы по радиозатменным данным

Матюгов С.С., Павельев А.А., Ануфриев В.А., Павельев А.Г., Яковлев О.И. Матюгов С.С., Павельев А.А., Ануфриев В.А., Павельев А.Г., Яковлев О.И.

Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, (IRE RAS), Fryazino, Vvedenskogo sq. 1, 141191 Moscow region, Sciences, (IRE RAS), Fryazino, Vvedenskogo sq. 1, 141191 Moscow region,

Russia E-mail Russia E-mail pvlv@ms.ire.rssi.ru

«Физика плазмы в солнечной системе»«Физика плазмы в солнечной системе»Февраль Февраль 110 2010 20144 ИКИ РАН ИКИ РАН МоскваМосква

СодержаниеСодержание

1. Результаты измерений интегральной электронной плотности в зависимости от 1. Результаты измерений интегральной электронной плотности в зависимости от солнечной активности на трассах спутник-Землясолнечной активности на трассах спутник-Земля

22. Результаты измерений индекса . Результаты измерений индекса S4 S4 на трассах спутник-Земля спутник-на трассах спутник-Земля спутник-спутникспутник

3. Классификация и статистические параметры3. Классификация и статистические параметры слоев при измерениях на трассах слоев при измерениях на трассах спутник-спутник. спутник-спутник.

4. Связь между вариациями амплитуды и фазы радиоволн, вызванных 4. Связь между вариациями амплитуды и фазы радиоволн, вызванных ионосферными слоямиионосферными слоями

5. Сопоставление индексов SS4, определяемых по вариациям фазового пути и интенсивности радиоволн

Зависимость интегральной электронной концентрации в Зависимость интегральной электронной концентрации в околоземном пространстве от солнечной активности (количества околоземном пространстве от солнечной активности (количества пятен и ультрафиолетового излучения) по данным Афраймович, пятен и ультрафиолетового излучения) по данным Афраймович, 2004, 2004, Wickert, 2010, Hocke 2009 Wickert, 2010, Hocke 2009

FLTSATCOM (23FLTSATCOM (23oo W) W)250 to 300 MHz250 to 300 MHz

Помехи на линии связи Земля-Помехи на линии связи Земля-геостационар (геостационар (E.J. Weber)E.J. Weber)

AscensionAscension

ZaireZaire

SATCOM OPERATOR’S LOGSATCOM OPERATOR’S LOG

0010 hrs: “Began transmitting several messages. One message took 35 minutes to get through and two others took up to 1 hour. Normal transmission takes 5 minutes maximum.”

0152 hrs: “...It looks like it’s locked up.”

0230 hrs: “...I can receive just fine but can’t transmit out. Still trying to send out original 4 messages.”

0247 hrs: “I got a message out after trying for 2 hours and 40 minutes...”

Воздействие вариаций интенсивности на работу системы Воздействие вариаций интенсивности на работу системы связи геостационар-Земля, индекссвязи геостационар-Земля, индекс S4 S4

Частотная зависимость амплитудных Частотная зависимость амплитудных вариаций по данным измерений на трассе вариаций по данным измерений на трассе

спутник- Земляспутник- Земля (Fremov, 1978) (Fremov, 1978)

257 MHZ

3954

MHZ

1541 MHZ

AF SYSTEM AFFECTED:

UHF SATCOM

GPS NAVIGATIONSPACE-BASED RADAR

SURVEILLANCE

GPS Frequency Scintillation FadesLocations, Times, Intensities

Зависимость интенсивности амплитудных вариаций Зависимость интенсивности амплитудных вариаций радиосигналов от солнечной активности по данным радиосигналов от солнечной активности по данным

измерений на трассе спутник- Земляизмерений на трассе спутник- Земля ( DasGupta, 2006) ( DasGupta, 2006)

Bistatic remote sensing using the signals of navigational space systems Bistatic remote sensing using the signals of navigational space systems (e.g., GPS, GLONASS,…) (e.g., GPS, GLONASS,…) received by equipment installed (1) on a LEO received by equipment installed (1) on a LEO satellite: (e.g. satellite: (e.g. CHAMP, GRACE, METOPCHAMP, GRACE, METOP,…, (2) on an Earth-based station,…, (2) on an Earth-based station

1. Radio occultation (RO) global investigation of vertical structure at different altitudes in the atmosphere and ionosphere using communication link navigational satellite-low orbital satellite (Russian, USA, German and many other scientific teams and RO missions)

2. Radio tomographic investigation of the 3-D structure of the ionosphere and magnetosphere at the altitudes up to 20000 km in the communication links LEO (Earth-based stations) – GPS satellite (Russian –Moscow State University, ISZF SB RAS, IRE RAS, and foreign research teams USA, German,…)

Perigee Point

Мониторинг условий связи в околоземном пространстве и ионосферных параметров с

помощью сигналов навигационных спутников

Изучение воздействия процессов в магнитосфере и ионосфере на высокостабильные сигналы навигационных спутников

Изучение распределения спорадических плазменных слоев в глобальном масштабе и выявление механизма их образования

Изучение вертикальных профилей электронной концентрации и их связи с солнечной активностью, антропогенным воздействием и влиянием сейсмической активности

Пять типов ионосферного воздействия на GPS сигналы : 1)спокойная ионосфера, 2)изолированные квазирегулярные вспышки (возможен вклад наклонных спорадических Е-слоев), 3)квазипериодические изменения амплитуды и фазы (волновые структуры в электронной концентрации), 4)дифракционные явления 5)явления с шумовым вкладом ионосферных возмущений

Tasks for investigation: (1) Influence of the natural processes in Tasks for investigation: (1) Influence of the natural processes in the ionosphere and atmosphere on the high-stable signals of the the ionosphere and atmosphere on the high-stable signals of the navigational satellites (2) Global distribution of sporadic plasma navigational satellites (2) Global distribution of sporadic plasma layers and detecting their origin (3) Connection with solar layers and detecting their origin (3) Connection with solar activity activity

Types of the ionospheric influence on the radio occultation Types of the ionospheric influence on the radio occultation (RO) signal (phase path excess at two GPS frequencies f1, f2 (RO) signal (phase path excess at two GPS frequencies f1, f2 (left, curves 1 and 2) and amplitude at f1 (right, curve 1)) as (left, curves 1 and 2) and amplitude at f1 (right, curve 1)) as

functions of the altitude of the RO ray perigee hfunctions of the altitude of the RO ray perigee h

Distribution of the radio occultation measurements on the Earth’s surface (FORMOSAT3 data)

High-stable synchronized by atomic clocks GPS radio signals at two frequencies 1575.42 and 1227.6 MHz are used for remote sensing of the atmosphere, ionosphere, and Earth’s surface. The altitude profile of the physical parameters are measured along the trajectory of the radio ray perigee (tangent point T)

Geographic and diurnal distributions of the radio waves intensity scintillations from FORMOSAT-3 RO (2008-2009) and Earth – based (1995-1998) data

Variations of the intensity of radio waves I(t) are described by the S4 scintillation index, where <> corresponds to average value.

Curves 1-3 correspond to:1 – averaged S4 index;2 –averaged S4 index in the equatorial regions (latitude <30);3 - averaged S4 index in the middle latitude and polar regions (latitude >30)

Dependence of the averaged S4 index during 2001-2008 in the equatorial and polar regions (CHAMP RO data)

Curves 1,2 correspond to:1 – averaged S4 index; local time in the 08 -20 h interval 2 - – averaged S4 index; local time in the 20 -08 h interval Curves 3 and 4 correspond to polynomial approximation

Curves 1-3 correspond to:1 – averaged S4 index;2 –averaged S4 index in the equatorial regions (latitude <55);3 - averaged S4 index in the middle latitude and polar regions (latitude >55)

1. Principle of locality and new technique for monitoring of plasma layers in the ionosphere using occultation data.

2. Dependence of the S4 intensity scintillation index evaluated from GPS occultation data on solar activity

3.3. New index of the phase scintillations SP4 and its New index of the phase scintillations SP4 and its connection with connection with the S4 parameter

Connection between the amplitude and eikonal in RO measurements (Liou and Pavelyev, GRL, 2006; Pavelyev et al., JGR, 2007). The eikonal acceleration has the same importance for RO data analysis as the Doppler frequency. It allows one to recalculate the phase data to the refractive attenuation. This connection opens the independent way to estimate absorption from ratio of the refraction attenuations found from the amplitude and phase data.

Comparison of the refractive attenuations Xa and Xp retrieved from Comparison of the refractive attenuations Xa and Xp retrieved from the FORMOSAT-3 amplitude and phase RO data (neutral the FORMOSAT-3 amplitude and phase RO data (neutral atmosphere and lower ionosphere). The antenna’s amplitude diagram atmosphere and lower ionosphere). The antenna’s amplitude diagram influence is seen clearly in the intensity data.influence is seen clearly in the intensity data.

Separation of the layers and irregular structures contributions from the RO Separation of the layers and irregular structures contributions from the RO measurements of the refractive attenuation measurements of the refractive attenuation Xa and Xp in the stratosphereXa and Xp in the stratosphere. . (Pavelyev, Salimzjanov, 2011)(Pavelyev, Salimzjanov, 2011)

Principle locality in the RO remote sensingPrinciple locality in the RO remote sensing. . Determination of the height, slope, displacement, and Determination of the height, slope, displacement, and electron content of layers.electron content of layers. The displacement of inclined layer T' The displacement of inclined layer T' dd from the ray perigee T can be evaluated from the ray perigee T can be evaluated from the refractive attenuations found from the RO amplitude and phase datafrom the refractive attenuations found from the RO amplitude and phase data ( (Pavelyev et al., 2012). Pavelyev et al., 2012).

2 22 2 2 2 2; a p

sp

A Ad d d d d R p

A

1. А.G. Pavelyev, K. Zhang, C. Wang, Y.A. Liou, and Yu. Kuleshov Analytical method for location and identification layers using RO dataRadio physics and Quantum Electronics. 2012. V. 55. № 3, P.165-172.2. Wickert J., A.G. Pavelyev, Y.A. Liou et al. //Geophys. Res. Lett. 2004. 31(12). L24801, 1-4, 2004.3. Pavelyev, A. G.; Liou, Y. A.; Zhang, K.; Wang, C. S.; Wickert, J.; Schmidt, T; Gubenko V.N.; Pavelyev, A.A.; and Kuleshov, Y.   Identification and localization of layers in the ionosphere using the eikonal and amplitude of radio occultation signals Atmos. Meas.

Tech., 5, 1–16, 2012 doi:10.5194/amt-5-1-2012.

I. I. Comparison of the refractive attenuations Xa, Xp, curvesComparison of the refractive attenuations Xa, Xp, curves 1 1 andand 2. 2. II. Amplitudes of the analytical II. Amplitudes of the analytical signals signals Xa, Xp (curvesXa, Xp (curves 1 и 2). 1 и 2). III. Evaluation of the location, altitude and slope of the first layer IV. III. Evaluation of the location, altitude and slope of the first layer IV. Evaluation of the location, altitude and slope of the second layer.Evaluation of the location, altitude and slope of the second layer.

Results of evaluations of the electron content and its gradientResults of evaluations of the electron content and its gradient

The amplitude variations of the RO signal may be described by the magnitude of the S4 scintillation index where <> is the average relevant, and I(t) is the intensity of the RO signal. The S4 scintillation index can be easily connected with the refraction attenuation X-1 and the phase acceleration variations a. The last relationships give new connection of the S4 scintillation index with the phase acceleration, which may have a general significance. In particular, this connection can be important for the trans-ionospheric satellite-to-satellite and satellite-to-Earth links.

Comparison of the indexes S4(I), S4(F1) и S4(F2) from FORMOSAT-3 RO data obtained during January 02; 05; 10; 12; 22 and 26 2012

ConclusionsConclusionsI. A new technique for analysis of RO data is presented. This technique is I. A new technique for analysis of RO data is presented. This technique is

based on a fundamental relationship between the intensity and phase based on a fundamental relationship between the intensity and phase variations of RO signal (Liou and Pavelyev, 2006). The advantage of variations of RO signal (Liou and Pavelyev, 2006). The advantage of this technique are: (1) separation of the contribution of layers and this technique are: (1) separation of the contribution of layers and irregularities in the RO signalirregularities in the RO signal((22) determination of layers altitude, slope and displacement. ) determination of layers altitude, slope and displacement.

II.II. A new scintillation index P4 is introduced. This index is evaluated A new scintillation index P4 is introduced. This index is evaluated using the eikonal acceleration of the radio waves. P4 index is using the eikonal acceleration of the radio waves. P4 index is connected with S4 scintillation index and can be applied for connected with S4 scintillation index and can be applied for monitoring of the solar activity influence of the plasma layers in the monitoring of the solar activity influence of the plasma layers in the ionosphere. ionosphere.

III. In 2001-2010 the daily averaged S4 index measured during CHAMP mission depends essentially on solar activity. The maximum occurred in January 2002, minimum has been observed in summer 2008. Different temporal behavior of S4 index has been detected for polar (with latitude greater than 60º) and low latitude (moderate and equatorial) regions. For polar regions S4 index is slowly decreasing with solar activity. Quasi-periodical oscillations (with time period of about 5-7 month) of the S4 index were detected which may correspond to possible impact of the solar wind and ultraviolet emission. The work was partly supported by Program 22 of Presidium of Russian Academy of Sciences and by grant of Russian Fund of Basic Research No.13-02-00526-a.

Thank you for your attention!

Результаты глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы Земли с использованием радиотрасс спутник-спутник.Исследовалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев в нижней ионосфере Земли в зависимости от солнечной активности в течение периода 2002-2008 годов. Исследования проводились методом анализа амплитудных и фазовых составляющих радиоголограмм, полученных в ходе радиозатменных миссий CHAMP, FORMOSAT-3 путем регистрации высокостабильных сигналов навигационной системы GPS на трассах спутник-спутник. Наблюдалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев, полученное с высоким пространственным и временным разрешением. Разработана методика глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы. Получены данные о статистике появлений спорадических ионосферных образований в экваториальных, среднеширотных и полярных областях для условий дня и ночи. Получены карты географического распределения интенсивных ЕS–структур.

Установлена устойчивая связь между приходом к Земле ударной волны солнечного ветра, возрастанием интенсивности мелкомасштабных неоднородностей плазмы и появлением интенсивных спорадических образований в нижней ночной высокоширотной ионосфере. В высоких широтах в ночной ионосфере интенсивные спорадические структуры связаны с воздействием ударных волн солнечного ветра. В полярных районах индекс S4 в течение 2001-2008 гг. постепенно снижался от 10% до 7%, что указывает на постепенное ослабление интенсивности ударных волн по мере приближения к минимуму солнечной активности. Усредненный по всему земному шару индекс S4 практически не менялся. Разработанный метод позволил выяснить связь следующих явлений: приход ударной волны солнечного ветра – высыпание из радиационного пояса энергичных частиц – возбуждение неоднородностей плазмы в F области ионосферы – появление интенсивных спорадических структур в нижней ночной ионосфере.

Временная гистограмма распределения числа случаев с высокими значениями индекса S4, большими 5%, в период максимума солнечной активности 22 августа – 23 ноября 2001 года.

Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS FGPS F11

Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS FGPS F11

Возможность определения параметров внутренних волн по Возможность определения параметров внутренних волн по известной величине наклона слоистой структуры известной величине наклона слоистой структуры