Ученые из России, Норвегии и Финляндии скорректировали параметры моделей заряженного слоя атмосферы — ионосферы — на основе экспериментальных данных полного электронного содержания. Проведенные исследования показали, что эффективность оперативной коррекции моделей имеет суточную и сезонную зависимость. Эти результаты важны для прогнозирования распространения радиоволн, радиолокации и навигации. Работа опубликована в журнале GPS Solutions.

Ионосфера — это наружный слой атмосферы Земли, благодаря солнечному излучению насыщенный заряженными частицами. Область ионосферы, лежащую выше 140 километров, называют слоем F, он характеризуется максимальным ионообразованием. В этом слое траектории радиоволн значительно преломляются и могут отражаться. F-слой способен отражать радиоволны на частотах нескольких мегагерц, что делает возможным распространение радиоволн на значительные расстояния. Определение ионосферных условий представляет важную задачу для эффективной работы высокочастотного радио, радиолокационного и навигационного оборудования.

Эмпирические ионосферные модели, построенные на результатах многочисленных экспериментов, описывают только климатическое состояние, тогда как для решения прикладных задач необходима количественная информация о параметрах в конкретном регионе в настоящем времени. Для оценки реального состояния ионосферы сейчас применяют ассимиляционные модели, в которых на каждом шаге расчетов используются экспериментальные данные, полученные различными наблюдательными установками: наземными и космическими зондами, приемниками и радарами.

Ученые Калининградского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова, Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск), Иркутского государственного университета, Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова совместно с коллегами из Университета Осло и геофизической обсерватории Соданкюля дополнили две эмпирические модели ионосферы — NeQuick и IRI-Plas — информацией об общем содержании электронов в F-слое ионосферы, полученной с помощью приемников сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. Для оценки эффективности корректировки моделей они проанализировали экспериментальные данные о максимальных частотах, на которых происходит отражение радиоволн, — так называемых критических частотах — для четырех времен года.

Результаты поддержанного грантом Российского научного фонда работы показали, что эффективность коррекции параметров эмпирических моделей ионосферы имеет суточную и сезонную зависимость. Для высокой солнечной активности наибольшая точность была получена в летний сезон, а наименьшая в зимний. Внимания заслуживают также исследования того, почему различается эффективность корректировки моделей ионосферы, выполненных на основе экспериментальных данных ионозондов (приборов для определения высот отражения радиоволн от ионосферы и распределения электронной концентрации по высоте) и высокоорбитальной радиотомографии (метода, основанного на непрерывном измерении с земли задержки сигналов на двух частотах от движущегося спутника). Несоответствие, скорее всего, вызвано тем, что использованные модели некорректно описывают форму высотного распределения электронной концентрации, а пространственно-временное распределение наилучшим образом воспроизводится в летний сезон и наихудшим в зимний.

«Результаты исследования могут быть полезны ученым и инженерам для решения прикладных задач использования радиотехнических средств связи, радиолокации и навигации, а также организациям, подведомственным Министерству обороны и МЧС. Кроме того, результаты исследования важны для понимания особенностей использования моделей ионосферы NeQuick и IRI-Plas в краткосрочном и долгосрочном прогнозировании распространения радиоволн и улучшения моделирования ионосферы Земли», — рассказывает один из исследователей, старший научный сотрудник КФ ИЗМИРАН Максим Клименко.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов