The structure and statistics of large-scale electron density inhomogeneities in the polar cap ionosphere

Abstract

Поддержание связи в высокочастотном диапазоне радиоволн в области высоких широт становится все более актуальным в связи с ростом трансполярных рейсов, проводимых авиационными компаниями по причине экономии времени, снижения затрат и выбросов углекислого газа. Сложность и изменчивость структуры высокоширотной ионосферы вызвана присутствием локализованных областей повышенной электронной плотности в F-слое – патчей и арок. Размеры патчей, как правило, варьируются вдоль диапазона от 100 до 1000 км в направлении от солнечной к теневой стороне Земли, однако средняя величина колеблется в районе значения в 500 километров. Электронная плотность, характерная для патчей, может увеличиваться до десяти раз относительно фона. Градиенты электронной плотности, характерные для структуры патчей в полярной ионосфере, образуют наклонные поверхности отражения для высокочастотных радиоволн. Таким образом, высокочастотные радиосигналы, распространяющиеся через эту область, часто поступают на приемник по траекториям, значительно смещенным от направления по кратчайшему пути. Такие существенные отклонения направления прихода сигнала имеют серьезные последствия для функционирования коммуникационных и радиолокационных систем, работающих в ВЧ-диапазоне. Вполне эффективный метод, способный отобразить распределение электронной плотности в ионосфере, основан на измерениях полного электронного содержания (ПЭС). Наблюдения, полученные при помощи сети специально оснащенных GPS (Global Positioning System) приемников в зоне высоких широт, использованы в настоящей работе с целью исследования структуры патчей в сравнении с данными ионограмм вертикального зондирования ионосферы. В ходе работы была обработана база данных о весенних периодах на протяжении пяти лет рассмотрения (2011-2015). Статистика, основанная на измерениях ПЭС, показывает, что интенсивность пятен слабо зависит от показателя геомагнитной активности Kp. Суточные, сезонные корелляции и зависимости параметров патчей от межпланетного магнитного поля также представлены в отчете.

HF (high frequency) communications within the high latitude region is of growing importance for civil airlines operating trans-polar routes as these may form the shortest path between significant destinations, reducing travel time, cost and carbon emissions. The complexity and variability of the high-latitude ionosphere structure is induced by the presence of the localized regions of enhanced electron density in the F region - patches and arcs. Parameters of the patches are typically of about 500 km in dawn to dusk direction but they range from 100 to 1000 km and exhibit electron-density enhancements of up a factor of 10 above background. Electron density gradients associated with patch structures within the polar ionosphere form tilted reflection surfaces for HF radio waves. Consequently HF radio signals propagating through this region often arrive at the receiver over paths well displaced from the great circle direction. Such large deviations of the direction of arrival of the signals from the GCP have serious implications for the operation of communication and radiolocation systems operating within the HF band. Very useful method describing of the electron density distribution in the ionosphere is based on the total electron contents (TEC) measurements. Observations from a network of specially equipped GPS (Global Positioning System) receivers in high latitude are used in this paper to investigate the structure of the patches in comparison with the ionogram data. The database corresponding to the spring seasons in the range of 5 years (2011-2015) of TEC measurements is collected. The statistics based on the TEC measurements illustrates that the intensity of patches depends on a low degree on the magnetic activity index Kp. Diurnal, seasonal and interplanetary magnetic fields dependencies, are also presented in the report.