Главным средством анализа текущей структуры ионосферы Земли являются ионограммы вертикального и наклонного зондирования, позволяющие в первую очередь оценить максимально применимую частоту (МПЧ) и наименьшую применимую частоту (НПЧ) на трассе распространения радиоволн, углы прихода и области многолучевости [1,2]. Определение таким образом параметров ионосферы (высота главного максимума ионосферного слоя и остальных ионосферных слоёв, полуширины слоёв, горизонтальные градиенты) актуально для дальней радиосвязи, навигации, решения задач возвратно-наклонного радиозондирования, радиолокации [1, 3].
Настоящая работа посвящена моделированию особенностей ионограмм наклонного зондирования на основе применения модели IRI [4] и метода бихарактеристик Гамильтона-Лукина [5-7]. При этом расчёты проводились как с учётом перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) [8-12], которые не учитывает модель IRI, так и в их отсутствии. Для моделирования был использована программная среда, созданная под руководством проф. Д.С. Лукина [13], не только вычислять дистанционно-частотные характеристики (ионограммы), но и рассчитывать лучевые траектории, их отклонения от первоначальной плоскости распространения, расходимости, поглощения как с учётом, так и без учёта влияния магнитного поля Земли.
В отсутствии ПИВ для однослоевой модели ионограмма, то есть (зависимость времени запаздывания сигнала (действующей высоты) от частоты, на длинных трассах имеет вид квази-параболы расположенной горизонтально вершиной в сторону больших частот, причём горизонтальная координата вершины соответствует МПЧ. Лучевая структура при этом имеет традиционный вид: часть лучей проходит ионосферный слой, а отражающиеся от ионосферы лучи образуют каустическое остриё [14-16]. Наличие ПИВ приводит к образованию Z-образных линий на ионограммах [17,18], деформация которых в зависимости от географических координат центра ПИВ была исследована в [19]. Однако, как показали вычисления даже при отсутствии дополнительных неоднородностей в рамках модели IRI, в частности для трассы Норильск-Торы в летнее дневное время возникают Z-образные кривые с тремя вершинами, нижняя из которых определяется слоем E, верхняя – слоем F2, а промежуточная – по-видимому, слоем F1, причём максимальная частота может соответствовать именно нижней вершине. Лучевая структура при этом имеет уже три каустических острия, за образование каждого из которых отвечает свой ионосферный слой. В точку наблюдения на некоторых частотах могут приходить шесть лучей.
В эксперименте наблюдаемый эффект, развивающийся медленно (2-3 часа), можно отличить от ПИВ по времени существования.
В работе также исследованы особенности ионограмм, связанные с образованием устойчивых волноводных внутри-ионосферных каналов.
Исследования проводились в рамках Проекта "Сеть цифровых ионозондов" 10.1.7 Тема 91.2.

Ключевые слова: ионосфера, распространение радиоволн, декаметровый диапазон, лучи, бихарактеристики, каустики, неоднородности

Литература:

Куркин В.И., Медведева И.В., Подлесный А.В., Думбрава З.Ф., Поддельский И.Н. Влияние внезапного стратосферного потепления на характеристики среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений в азиатском регионе России // Армандовские чтения. Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022.– С. 27–35.
Софьин А.В. Зоны влияния ПИВ различных масштабов на ионограммы наклонного зондирования ионосферы // Международная Байкальская молодёжная научная школа по фундаментальной физике. Труды XVII Конференции молодых учёных. Иркутск, 2022. С. 406–408.
Куркин В.И., Подлесный А.В., Цедрик М.В., Софьин А.В. Сезонно-суточные особенности характеристик среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений в азиатском регионе России в годы умеренной солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2024. Т. 64. № 3. С. 400–407.
Bilitza, D.; Truhlik, V.; Yoshihara, O.; Moldwin, M. B. Development and Improvement of the International Reference Ionosphere with Special Emphasis on the Topside and Extension to the Plasmasphere. Ann. Geophys. 2024, 67 (4), SA443. https://doi.org/10.4401/ag-9145.
Hamilton, William Rowan, Sir. On a general method of expressing the paths of light, & of the planets, by the coefficients of a characteristic function. Printed by P.D. Hardy. 1833. 34 p.
Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. // Космические исследования, 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 593–600.
Крюковский А.С., Лукин Д.С., Кирьянова К.С. Метод расширенной бихарактеристической системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника, М.: Наука. 2012. Т.57. №9. С. 1028–1034.
Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В., Лыонг В.Л., Рябова М.И. Исследование влияния перемещающихся ионосферных возмущений на характеристики линий декаметровой связи // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2014. № 2 (21). С. 6–21.
Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Mikhaleva E.V., Rastyagaev D.V. Mathematical modeling of the amplitude, angular, and time characteristics of short radio waves in slightly oblique sounding of the ionosphere // Journal of Communications Technology and Electronics. 2023. V. 68. No 6. P. 649–658.
Kryukovsky A.S., Mikhaleva E.V., Rastyagaev D.V. Numerical modeling of ray characteristics along the Earth surface in the case of an obliquely oriented TIDs // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC) Proceedings. Nov. 25-29, Moscow., 2024. P. 522-526.
Mikhaleva E.V., Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Rastyagaev D.V. Simulation of doppler frequency shift in the presence of traveling ionospheric disturbances // Journal of Communications Technology and Electronics. 2023. V. 68. No S2. P. 111-121.
Mikhaleva E.V., Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Rastyagaev D.V. Mathematical modeling of the singularities of caustic structure of electromagnetic waves formed by traveling ionospheric disturbances // Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). IEEE Xplore, 2024. P. 10618349.
Крюковский А.С., Куркин В.И., Ларюнин О.А., Лукин Д.С., Подлесный А.В., Растягаев Д.В., Черняк Я.М. Численное моделирование амплитудных карт для скорректированной модели IRI-2012 с плавными возмущениями ионосферы // Радиотехника и электроника. 2016. – Т. 61. – № 8. – С. 794-799.
Kryukovsky A.S., Mikhaleva E.V., Rastyagaev D.V. Influence of traveling ionospheric disturbances on the caustic structure of radio waves during low inclination sounding of the ionosphere // Journal of Communications Technology and Electronics. 2023. Т. 68. № S3. P. 275–283.
Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В. Исследование влияния локальных неоднородностей ионосферной плазмы на распространение коротких радиоволн // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2010. № 3. С. 17–25.
Крюковский А.С., Лукин Д.С., Бова Ю.И. Моделирование поля в окрестности каустик обыкновенной и необыкновенной волн при ионосферном распространении // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. № 12. С. 1160–1169.
Софьин А.В., Куркин В.И. Исследование пространственных областей влияния ПИВ на ионограммы наклонного зондирования ионосферы // Труды XXVII Всероссийской открытой научной конференции «Распространение радиоволн», 28 июня — 3 июля 2021 года, Калининград, Издательство Балтийского федерального университета им. И. Канта, 2021. С. 358-363.
Sofyin A., Kurkin V. Evaluation of Characteristics of Medium-Scale Travelling Ionospheric Disturbances Based on the Data of Oblique Ionospheric Sounding // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2024, pp. 527-530.
Крюковский А.С., Михалёва Е.В., Растягаев Д.В. Моделирование особенностей распространения радиоволн на односкачковых длинных трассах // Материалы 23-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2025. C. 453. DOI 10.21046/23DZZconf-2025a

XXIV.I.280

Особенности ионограмм на односкачковых длинных трассах

Дистанционное зондирование ионосферы