Воздействие атмосферных волн от различных геофизических источников на динамику ионосферы Земли и условия ионосферной радиосвязи

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-77-10004

НазваниеВоздействие атмосферных волн от различных геофизических источников на динамику ионосферы Земли и условия ионосферной радиосвязи

Руководитель Борчевкина Ольга Павловна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-606 - Верхняя и средняя атмосфера

Ключевые слова атмосферно-ионосферные связи, ионосфера, волны в атмосфере, распространение радиоволн, численное моделирование

Код ГРНТИ37.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Устойчивость функционирования различных систем радиосвязи и навигации, в частности, радиолокационных систем и спутниковой системы ГЛОНАСС, имеет чрезвычайно важное значение в различных областях человеческой деятельности. Обеспечение надежного функционирования этих систем в любых природных или техногенных условиях является актуальной задачей. Опыт эксплуатации различных систем связи, обнаружения и спутниковых систем навигации показывает их чувствительность к разного рода возмущениям атмосферы и ионосферы, которые приводят к существенному снижению точности решения задач навигации и позиционирования, сбоям в работе систем связи и другим эффектам. Основными причинами возмущения верхней атмосферы и ионосферы Земли являются процессы, происходящие на Солнце, в магнитосфере Земли, а также в нижней и средней атмосфере. При этом, ионосферная изменчивость, связанная с волновыми процессами вследствие работы источников, располагающихся в земной атмосфере и океане, является наименее изученной. Актуальность данной тематики подтверждается количеством работ и международных программ по изучению данного вопроса, появившихся в последние два десятилетия. Результаты исследований последних лет показали, что вклад волновых процессов нижней и средней атмосферы в изменчивость параметров ионосферы может достигать более 20%. По данным всемирной метеорологической организации за последние десятилетия количество экстремальных метеоявлений увеличилось на 30%. Это вносит существенный вклад в изменчивость параметров ионосферы. Данный проект направлен на исследование волновых процессов в системе атмосфера-ионосфера и их влиянии на изменчивость ионосферы и условия распространения радиоволн в периоды различных явлений в атмосфере и океане (метеорологические шторма, цунами, вулканические извержения, внезапные стратосферные потепления). Исследования будут проведены с применением математического моделирования и использованием методов обработки и анализа экспериментальных данных. Теоретической основой проекта станут модели распространения радиоволн, атмосферных и океанических волн, разработанные и активно используемые участниками проекта. Важным дополнением к этому набору моделей станут модель нейтральной атмосферы высокого разрешения “AtmoSym”, глобальная самосогласованная модель системы термосфера-ионосфера (ГСМ ТИП) и модель всей атмосферы (EAGLE), являющиеся уникальными инструментами не имеющими аналогов в России и Европе. Существенной особенностью данного проекта станет учет данных наблюдений метеопараметров при задании источников атмосферных волн и использование мультиинструментальных данных наблюдений обсерватории Калининградского филиала ИЗМИРАН им.Н.В.Пушкова для численного моделирования различных по природе геофизических явлений. В данном проекте для решения общих задач будут объединены усилия молодых специалистов по атмосферным волнам, динамики средней атмосферы, атмосферно-ионосферным связям и радиоволнам в ионосфере. Участники коллектива неоднократно активно и успешно участвовали в реализации работ по различным проектам, что говорит в пользу достижимости решения поставленных задач. Именно объединение усилий специалистов по различным смежным дисциплинам позволит в ходе выполнения проекта на высоком уровне исследовать вопросы динамического влияния метеорологических штормов, извержения вулканов и волн цунами на ионосферную изменчивость, стабильность работы систем коротковолновой связи и точности позиционирования спутниковыми навигационными системами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта были выполнены работы по накоплению и анализу данных наблюдений, а также проведены численные эксперименты по моделированию атмосферных и ионосферных эффектов в периоды экстремальных природных событий. Исследование ионосферных эффектов сильных метеорологических возмущений было проведено с использованием данных наблюдений обсерватории Калининградского филиала ИЗМИРАН. В ходе анализа сигналов 2022 - 2023 гг. выявлены аномалии в амплитудных и фазовых характеристиках сигналов в дневные и ночные часы. С использованием данных спутника SABER была проведена оценка медианных изменений температуры в D-слое ионосферы в области прохождения трасс распространения СДВ сигналов. Даны высотные оценки изменения температуры в D-слое ионосферы в дневные и ночные часы. Исследование флуктуаций атмосферных параметров осуществлялось с использованием микробарометра МБ-03, установленного в обсерватории Калининградского филиала ИЗМИРАН и предназначенного для мониторинга инфразвуковых источников природного и техногенного происхождения. На основе обработанных данных наблюдений выявлены были выделены периоды, когда наблюдались сильные вариации давления. Полученные вариации были использованы в численных экспериментах по моделированию волновых возмущений в верхней атмосфере с применением модели AtmoSym. Мультимодельный подход применен к исследованию атмосферных гравитационных волн (АГВ) с использованием моделей Atmosym и ГСМ ТИП для метеорологического шквала в мае 2017 г. в Москве и метеорологического шторма “Лаура” в марте 2020 г. в Калининграде. Исследование показало, что распространение волн из тропосферы из области сильного метеорологического явления приводит к локальному разогреву термосферы, что приводит к изменению газового состава (уменьшению n[O]/n[N2]) и модельного полного электронного содержания (TEC) над областью генерации волн, а также возмущению горизонтальных составляющих термосферного ветра, особенно меридиональной компоненты. Для валидации модельных результатов проведен анализ ионосферных эффектов с использованием глобальных и региональных карт TEC по данным CODE, MOSGIM и Калининградского филиала ИЗМИРАН. Исследование показало, что над областью метеорологического шторма формируется область с пониженными значениями TEC в европейском секторе, достигающие до 2-3 TECu по сравнению с метеорологически и геомагнитно спокойным днем. Результаты расчетов полного электронного содержания модели ГСМ ТИП показали согласие с экспериментальными картами от CODE, MOSGIM и КФ ИЗМИРАН, которые демонстрируют схожий отрицательный эффект над областью метеорологического шторма, при этом наблюдаются небольшие амплитудные различия в экспериментальных данных и моделировании. Определены пространственные и временные оценки источника возмущений (метео- и сейсмо- событий) для решения задач моделирования волновых возмущений в верхней атмосфере. Предложена начально-краевая задача о распространении волн в атмосфере от колебаний нижней границы, вследствие смещения земной поверхности. С использованием численной модели нейтральной атмосферы AtmoSym проведено исследование двух сейсмических событий: японское землетрясение 11 марта 2011 г. (Тохоку) и турецко-сирийское землетрясение 6 февраля 2023 г. Показано, что волновая картина возмущений, полученная при моделировании согласуется с данными наблюдений TEC. Исследование влияния динамики верхней атмосферы на радиосвязь осуществлялось с использованием модели распространения коротких радиоволн в рамках лучевого приближения. Реализованный вариационный подход для решения граничной задачи позволил исследовать динамику максимально применимой частоты в возмущенной ионосфере вследствие изменения меридионального ветра. В рамках проекта осуществлено расширение возможностей вариационного метода для расчета многоскачковых лучевых траекторий и реализованы методы построения амплитудных, высотных и частотных характеристик сигнала по данным радиозондирования в зависимости от времени наблюдения. Реализован подход, позволяющий рассчитать профили электронной вследствие изменения системы “термосфера-ионосфера” во время метеорологических возмущений в тропосфере. Проведено численное моделирование ионосферного распространения радиоволн для трассы протяженностью 2300 км. Модельная ионосфера задавалась с использованием профилей электронной концентрации в ночные часы во время метеорологического возмущения. Результаты расчетов дистанционно-частотных характеристик радиотрассы для различных моментов времени показали, что флуктуации параметров ионосферы вследствие изменения параметров ионосферы вследствие распространения атмосферных гравитационных волн приводит к значительному изменению МПЧ радиотрассы: от 11.1 МГц до 13.32 МГц. Таким образом, согласно результатам модельных расчетов метод наклонного радиозондирования потенциально применим для оценки влияния метеорологических возмущений на параметры ионосферы и, как следствие, на условиях работы радиотехнических систем в КВ и УКВ диапазоне.

Публикации

1. Носиков И.А., Клименко М.В., Падохин А.М., Носикова В.В., Бессараб П.Ф. Generalized Force Method for Point‐To‐Point Ray Tracing in Anisotropic Ionosphere: Implementation and Applications to NeQuick2 and IGRF13 Models Wiley, Radio Science V. 60. e2024RS008092. https://doi.org/10.1029/2024RS008092 (год публикации - 2025)
10.1029/2024RS008092

2. Бессараб Ф.С., Курдяева Ю.А., Борчевкина О.П., Клименко М.В. Пространственные особенности ионосферного возмущения, вызванного метеорологическим шквалом Известия РАН. Серия физическая (год публикации - 2025)

3. Курдяева Ю.А., Бессараб Ф.С., Борчевкина О.П., Клименко М.В. Model study of the influence of atmospheric waves on variations of upper atmosphere and ionosphere parameters during a meteorological storm on May 29, 2017 Advances in Space Research, Advances in Space Research. 2024. Volume 74, Issue 5, Pages 2463-2474. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.05.062 (год публикации - 2024)
10.1016/j.asr.2024.05.062

4. Рыбнов Ю.С., Борчевкина О.П., Курдяева Ю.А., Клименко М.В., Ряховский И.А. Мониторинг инфразвукового фона в обсерватории Калининградского филиала ИЗМИРАН Геофизические процессы и биосфера, Геофизические процессы и биосфера. 2025. Т. 24. № 1. С. 94-102. (год публикации - 2025)