Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения проекта показано, что международная справочная модель ионосферы IRI, наиболее часто используемая для решения научных и прикладных задач радиосвязи, навигации и радиолокации, некорректно описывает основные морфологические особенности распределения ионосферных параметров в области высоких и субавроральных широт, то есть в Арктическом и Антарктическом регионах. Нами создан полный банк ионосферных спутниковых и наземных данных. На языке программирования Python была написана программа, позволяющая группировать, сортировать и анализировать данные ионосферных наблюдений. Реализовано автоматическое пополнение массива данных новыми данными. Результатом работы программы является матрица, содержащая географические координаты, средние арифметические и медианные значения ионосферных параметров, количество вертикальных профилей электронной концентрации и количество отбракованных данных по каждому из выбранных критериев. Различные спутниковые данные были тщательно проанализированы, очищены от некорректных значений, состыкованы и теперь могут использоваться для построения глобальной эмпирической модели параметров F2 области ионосферы. На создаваемую нами модель накладываются требования воспроизведения ею пространственной структуры и крупномасштабной динамики высокоширотной ионосферы. Проведены теоретические исследования механизмов формирования высокоширотных крупномасштабных неоднородностей на основе результатов расчетов Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы, Протоносферы (ГСМ ТИП), которые позволили лучше понять особенности высокоширотной ионосферы. Проведена количественная оценка эффективности методики адаптации справочных моделей ионосферы по данным наклонного полного электронного содержания для высокоширотного региона путем сравнения модельных и экспериментальных результатов. Результаты апробации показали, что для марта уменьшение ошибки определения ключевого ионосферного параметра - критической частоты F2 слоя, foF2, при коррекции моделей наблюдается как в ночное, так и в дневное время. В остальные месяцы после коррекции модели среднеквадратическая ошибка определения foF2 увеличивается по сравнению с результатами расчетов моделей без коррекции. Отмечается улучшение модельных результатов при коррекции в освещенное время (за исключением декабря месяца). Выяснение причин улучшений и ухудшений результатов модельного описания ионосферы после коррекции позволит определить вектор дальнейших действий для решения прикладной задачи коррекции модели среды в режиме реального времени. Решение данной задачи важно для корректной работы радиолокационных и навигационных радиофизических систем. В ходе выполнения проекта параллельно развиваются две модели распространения радиоволн, которые в конечном итоге будут дополнять друг друга при решении различных научных и прикладных задач. Одна из моделей распространения радиоволн, построенная на основе решения уравнения эйконала, за отчетный период была дополнена программной реализацией трехмерного алгоритма “пристрелки”. Это позволило нам исследовать различные характеристики радиотрасс в трехмерной слабо неоднородной анизотропной среде как в спокойных условиях, так и в периоды геомагнитных бурь. Это позволило изучить влияние магнитного поля Земли на формирование лучевых траекторий и характеристики радиотрасс как в спокойных условиях, так и во время геомагнитной бури. В ходе проведения вычислительных экспериментов получено, что учет магнитного поля Земли при расчете радиотрасс приводит: 1) к сильной азимутальной расходимости лучей; 2) к значительным изменениям максимально-применимых частот для E и F областей ионосферы (до 1-2 МГц). Оба этих результата говорят о важности учета анизотропии среды в задачах расчета радиотрасс. Другим перспективным методом расчета радиотрасс между двумя объектами, положение которых зафиксировано, является использование прямого вариационного метода. В ходе исследований в рамках данного проекта была доказана возможность раздельного поиска двух типов радиолучей (верхних и нижних лучей) для различных рабочих частот на основе вариационного метода. Реализован комбинированный подход глобальной оптимизации, основанный на принципе Ферма и последовательном поиске верхних и нижних лучей, который обладает высокой степенью сходимости и оптимальным временем проведения расчетов, а также возможностью определения полного набора решений. Важными преимуществами разработанного метода являются: 1) решение проблемы задания начального приближения, задаваемого в виде линии, проведенной на поверхности Земли, соединяющей пункты передачи и приема для последовательного нахождения всех односкачковых трасс; 2) осуществление процедуры глобального поиска всех радиолучей между пунктами передачи и приема; 3) точное попадание всех найденных радиолучей из точки передачи в точку приема. На основе двух описанных выше моделей распространения радиоволн создано программное обеспечение для построения и визуализации ионограмм наклонного зондирования на языке программирования C++ и среды Gnuplot. Предусмотрена возможность одновременного построения модельных результатов и данных наблюдений ионограмм наклонного зондирования, что позволяет осуществлять сопоставление и анализ полученных результатов. В рамках выполнения проекта произведена обработка и анализ различных спутниковых и радарных измерений параметров плазмы на различных высотах ионосферы и плазмосферы, а также характеристик аврорального овала, полярного ветра и языка ионизации, оказывающих значительное влияние на взаимосвязь процессов между ионосферой и магнитосферой и на прикладные аспекты, связанные с распространением радиоволн в высокоширотном регионе, как в спокойных условиях, так и особенно в периоды геомагнитных бурь. Впервые GPS-наблюдения на борту метеорологической миссии MetOp были использованы для выявления неоднородностей плазмы на высотах выше 835 км. Были проведены оценки проявления ионосферных неоднородностей различных масштабов в различных высотных интервалах, в том числе на высотах плазмосферы. Наши результаты показывают, что при сильных геомагнитных бурях на высотах внешней ионосферы могут наблюдаться значительные неоднородности плотности плазмы, эффекты которых могут проявляться и выше. Быстрые изменения фазовой задержки сигнала во внешней ионосфере могут значительно ухудшать эффективность работы GPS на низкоорбитальных спутниках, когда бортовые GPS приемники могут временно испытывать полную/частичную потерю сигналов, проходящих через значительные градиенты плотности плазмы. Мульти-инструментальный анализ наземных и спутниковых данных выявил, что ионосферные неоднородности, обнаруженные на высотах внешней ионосферы совпадают с положением крупномасштабных ионосферных неоднородностей. На основании результатов расчетов модели ГСМ ТИП произведена интерпретация формирования крупномасштабных ионосферных неоднородностей в высоких широтах на различных фазах геомагнитной бури. Сформулирована теория, а также были созданы и протестированы вычислительные алгоритмы для решения задачи о влиянии плазменных неоднородностей на формирования широкополосной электростатической турбулентности (шума) в полярных областях Земли. Проведено численное моделирование для изучения роли различных ионосферных источников энергии в генерации широкополосной низкочастотной турбулентности. Неоднородные электрические поля и плазменные неоднородности могут приводить к возникновению регулярно наблюдаемого широкополосного шума в верхней ионосфере, а также к нагреву ионосферных ионов и их последующему оттоку в магнитосферу. Для задания неоднородных профилей электрического поля, концентрации плазмы и продольных скоростей заряженных частиц в численных расчетах использовались спутниковые данные и впервые в качестве исходных данных использовались ракетные измерения, полученные при изучении ионосферы высоких широт и обратных течений в каспе. Показано, что электростатическая широкополосная турбулентность может быть идентифицирована как разновидность электростатических ионно-циклотронных или ионно-акустических волн, возбуждаемых неоднородным распределением плотности энергии волны.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основе банка данных прямых спутниковых измерений, внешнего зондирования ионосферы и радиозатменных наблюдений, собранных в 2017 году, созданы две эмпирические модели параметров максимума электронной концентрации в F2 области ионосферы для всех моментов местного времени с часовым разрешением и всех уровней солнечной активности: 1) глобальная модель для всех сезонов (по месяцам); 2) Модель Главного Ионосферного Провала (МГИП) с разбиением на четыре месяца зимнего солнцестояния в северном и южном полушариях. На основе результатов эмпирических моделей выделены долготные вариации положения главного ионосферного провала. Показано, что амплитуда долготных вариаций положения ГИП в дневное время больше чем ночью. На основе статистической обработки данных четко выделены ГИП и высокоширотный провал при высокой солнечной активности в утренние часы. Модельные исследования показали, что долготные вариации положения ГИП в дневное время определяются долготными изменениями зенитного угла Солнца и долготного распределения плотности атомарного кислорода. Формирование долготных изменений в ночном ГИП связано с долготным эффектом ионизации высокоэнергичных высыпающихся частиц, состава нейтральной атмосферы и высокоширотного электрического поля. На основе модельных расчетов, спутниковых и наземных данных выявлена задержка вариаций дневных значений foF2 и ПЭС относительно изменений F10.7. Эта задержка для высоких широт больше для foF2 по сравнению с ПЭС. Согласно результатам моделирования, изменение отношения O / N2 представляется основным механизмом формирования этой задержки. Проведено исследование причин ухудшения модельного описания foF2 после коррекции эмпирических моделей ионосферы IRI-plas и NeQuick на основе данных наклонного ПЭС при улучшении модельного описания вертикального ПЭС в некотором регионе. Некорректное воспроизведение высотной структуры ионосферы является одной из основных причин неэффективности работы используемого метода коррекции ионосферы для описания foF2. Предварительный сравнительный анализ модельных и экспериментальных карт ПЭС показал, что выбранные модели ионосферы наилучшим образом воспроизводят широтно-долготную структуру ПЭС в марте и хуже всего в солнцестояние. Это и является причиной выявленной нами сезонной зависимости эффективности коррекции foF2 по данным наклонного ПЭС. В рамках изучения источников, свойств и физических механизмов широкополосной турбулентности в полярных областях ионосферы показано, что плазменная неустойчивость, вызванная неоднородным распределением плотности энергии может успешно объяснить результаты ракетных измерений. Показана принципиальная возможность применимости метода локальной перемежаемости для изучения нерегулярных турбулентных процессов и нерегулярных структур электрического поля в полярных областях ионосферы. В нашем исследовании наблюдается качественное согласие между высокими значениями инкремента плазменной неустойчивости, вызванной неоднородным распределением плотности энергии и областей с высоким значением параметра перемежаемости в полярных областях. Это говорит о том, что развитие данного рода плазменных неустойчивостей связано с турбулентными негауссовыми (перемежаемыми) процессами. Кроме того, показано, что развитие данной неустойчивости существенно зависит не только от наличия неоднородностей в электрическом поле, но также сильно зависит от продольных скоростей заряженных частиц в высокоширотной области ионосферы. Проанализированы случаи, когда на спутнике Интербол-2 наблюдалось пересечение полярной границы аврорального овала (Альфвеновская аврора) и когда были одновременные изображения авроральных свечений на спутнике POLAR. На основе выбранных случаев были получены зависимости скорости поперечного нагрева ионов от скорости движения полярной границы аврорального овала к полюсу. Показано, что чем выше скорость границы аврорального овала к полюсу, тем наблюдается более интенсивный поперечный нагрев окружающей фоновой плазмы Выявлено пространственное и временное совпадение между появлением интенсивной радиоавроры по данным УКВ радара в районе Красноярска и увеличением индекса ROT по данным приемника ГНСС сигналов на авроральной станции Норильск во время геомагнитной бури 27-28 мая 2017 года. Это указывают на наличие связи между неоднородностями с размерами ~10-100 км и неоднородности в Е слое с пространственными размерами ~35 см. В областях формирования ионосферных неоднородностей наблюдаются сильные электрические поля и увеличенные дрейфы ионов. Показано, что время возникновения ионосферных неоднородностей согласуется с пространственно-временными изменениями продольных токов второй зоны. На основании анализа результатов модели ГСМ ТИП и данных наблюдений показано, что во время геомагнитной бури St. Patrick 2015 года в приполюсных областях, где скорости дрейфа плазмы максимальны, язык ионизации значительно подавляется за счет повышенной плотности молекулярного азота. На высотах плазмосферы область, подобная языку ионизации, занимает всю полярную шапку. Это можно объяснить меньшим влиянием рекомбинационных процессов на распределение электронной плотности с ростом высоты. Нами проанализированы и выделены основные особенности и области применения разрабатываемых методов расчета радиотрасс. Вариационный метод расчета лучевых траекторий радиоволн имеет следующие преимущества и особенности: а) Положения передатчика и приемника зафиксированы в соответствии с граничными условиями, что позволяет избежать процедуры пристрелки и сопутствующие ей проблемы сходимости, возникающие особенно остро при нахождении верхних и волноводных решений граничной задачи в трехмерно-неоднородной среде; б) Имеются перспективы решения проблемы нахождения всех решений при многолучевости на основе созданного нами алгоритма глобальной оптимизации. Для определения стационарных решений любого типа (минимумы, седловые точки и максимумы функционала оптической длины радиолуча) нами разработан универсальный метод оптимизации функционала оптической длины пути, названный методом обобщенной силы. На основе чередования различных вариантов метода обобщенной силы разработана, реализована и апробирована методика глобальной оптимизации для определения полного числа решений граничной задачи. С помощью этого алгоритма мы избавляемся от необходимости задания шага трассировки лучей от которого зависит число найденных решений с помощью трассировки и пристрелки. Применение решения уравнения эйконала с начальными условиями является оптимальным при нахождения поля волны от антенны передатчика с заданной диаграммой направленности. Нами было показано, что учет анизотропии среды приводит к существенной расходимости лучевых траекторий, и, как следствие, к усложнению процедуры трехмерной пристрелки. Показано, что длина оптического пути верхнего луча в случае распространения в анизотропной среде в целом больше, чем в изотропном случае. Затухание сигнала в изотропной среде больше, чем при учете анизотропии. С помощью сравнения результатов расчетов лучевых траекторий, полученных вариационным методом и методом на основе решения уравнения эйконала, установлена взаимосвязь между типом стационарных точек функционала и каустиками. Радиолучи, не образующие каустических особенностей, являются минимумами функционала оптической длины пути (верхние лучи). Лучи, касающиеся каустику 1 раз, соответствуют седловой точке 1 рода (нижние лучи). Аналогично, лучи, образующие каустики и касающиеся ее N раз, соответствуют седловой точке N-го рода (пример: лучи в межслоевых каналах).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На основе тестирования созданных в ходе выполнения проекта эмпирических моделей высокоширотной ионосферы показано, что созданные модели воспроизводят основную структурную особенность суб-авроральной ионосферы (главный ионосферный провал) и его долготную вариацию схожим образом с канадской моделью E-CHAIM в отличие от справочной модели IRI. Не очень хорошее воспроизведение структуры главного ионосферного провала моделью IRI приводит к тому, что широтно-долготное распределение полного электронного содержания хуже всего воспроизводится этой моделью в зимнее солнцестояние. Для этого периода согласно результатам наших статистических исследований коррекция эмпирических моделей по данным ГНСС приемников не улучшает, а ухудшает воспроизведение foF2 и полного электронного содержания (ПЭС) в регионе, тем самым вводя ограничения на использование данного алгоритма коррекции IRI-подобных моделей при решении практических задач радиолокации и КВ-радиосвязи в суб-авроральном и высокоширотном регионе. Была выявлена сезонная зависимость эффективности коррекции моделей IRI-plas и NeQuick по данным приемников ГНСС сигналов в средних и субавроральных широтах. Наилучшая эффективность коррекции foF2 и полного электронного содержания получена в период весеннего равноденствия, а наихудшая - в зимнее солнцестояние. Наиболее вероятным объяснением сезонной зависимости эффективности коррекции IRI-подобных моделей является сезонная зависимость точности описания моделью наблюдаемого пространственного распределения ПЭС. Информация по результатам этих исследований была представлена на новостном ресурсе indicator.ru: https://indicator.ru/earth-science/modeli-ionosfery-priemnikov-sputnikov-27-02-2020.htm. Во время геомагнитных возмущений методика коррекции модели по данным ГНСС приемников не ухудшает свою эффективность, а в некоторых случаях эффективнее корректирует модель, чем для спокойных условий. Показано, что в целом коррекция модели улучшает описание ПЭС для всех месяцев за исключением декабря. Улучшение модельного описания ПЭС за счет коррекции по выбранной методике наилучшим образом проявляется в окрестности ГНСС приемника, но в целом имеет достаточно широкий радиус действия. На основе кросс-корреляционного анализа данных канадского радара некогерентного рассеяния, результатов теоретической модели ГСМ ТИП и индекса солнечной активности F10.7 выявлен высотный профиль зависимости задержки вариаций электронной концентрации относительно вариаций индекса солнечной активности. Вертикальная структура этой задержки содержит максимум на высотах F2 слоя ионосферы, резко уменьшается при уменьшении высоты и довольно слабо уменьшается с ростом высоты. Исследования показали, что эта задержка больше для foF2 по сравнению с ПЭС и для высоких широт по сравнению со средними широтами. С помощью результатов модели ГСМ ТИП выявлено, что основным возможным механизмом формирования указанной выше задержки является изменение отношения O/N2. Данное исследование указывает на необходимость продолжения исследований солнечно-циклических, сезонных, долготных и суточных изменений задержек вариаций электронной концентрации относительно вариаций солнечной активности для дальнейшего включения данного факта в эмпирические модели ионосферы. За отчетный период были осуществлены следующие улучшения моделей распространения КВ-радиоволн в ионосфере: 1) в модели, основанной на решении системы бихарактеристических уравнений, осуществлен учет расходимости радиолучей при расчете энергии, приходящего радиосигнала; 2) в модели расчета траекторных характеристик радиотрасс на основе вариационного метода доработан и программно реализован алгоритм систематического поиска множества лучевых траекторий с заданными граничными условиями, получивший название глобальной оптимизации (об этом сообщалось на новостных ресурсах indicator.ru, РИА новости и др.). Обе численные модели расчета распространения радиоволн дополнены блоками расчета волновых фронтов и ионограмм наклонного зондирования по найденным семействам лучевых траекторий. Для расширения возможностей вариационного метода получены аналитико-численные выражения для функционала фазового пути в анизотропной среде, ее первой и второй производных. Реализован предварительный вариант оптимизационной схемы расчета “верхних” лучей (лучи Педерсена) с учетом геометрии луча и ориентации волнового фронта в анизотропной ионосфере, требующий дальнейшего развития и тестирования. Численный анализ собственных значений матрицы Гессе волноводных и многоскачковых лучевых траекторий показал, что эти решения соответствуют седловым точкам порядка N функционала фазового пути. Порядок седловых точек N равен равен числу каустик, которых касается луч. Этот результат дает возможность на основании метода обобщенной силы разработать и реализовать метода поиска волноводных и многоскачковых лучей на основе вариационного метода. Исследования влияния учета анизотропии при расчете распространения радиоволн позволили объяснить на ионограммах наклонного зондирования более пологий след от лучей Педерсена, которые располагаются ближе к следам от нижних лучей, по сравнению с результатами при учете анизотропии. Учет магнитного поля приводит к сильной азимутальной расходимости лучей, что затрудняет их нахождение в условиях трехмерно неоднородной анизотропной среды. Основываясь на спутниковых данных ИНТЕРБОЛ-2 низкочастотного электрического поля и функции распределения ионов от 1 эВ до 20 кэВ было показано, что поперечный нагрев ионов на полярной границе аврорального овала во время суббури происходит быстрее, чем ионно-циклотронный нагрев. Основываясь на изображениях аврорального овала в ультрафиолетовом спектре показано, что существенную роль в поперечном нагреве ионов играют индуцированные электрические поля, вызванные быстрым движением/расширением аврорального овала к полюсу. Нагретые таким образом ионы вследствие первого адиабатического инварианта ускоряются вдоль магнитного поля и составляют существенную часть оттока ионосферных ионов в магнитосферу. Показано, что сбои в навигационных сигналах GPS связаны с высыпанием заряженых частиц в высокоширотной ионосфере. Подтверждены результаты других работ, что частота L2 имеет большую вероятность сбоев, чем L1, как в спокойных условиях, так и во время геомагнитной активности в полярных областях. В результате исследования впервые продемонстрировано, что вероятность больших скачков ПЭС в несколько раз выше, чем вероятность сбоя по фазе на частотах L1 и L2. Максимум возникновения сбоев приходится на фазу восстановления геомагнитной суббури. Рост Bz компоненты межпланетного поля на фазе восстановления суббури, является косвенным индикатором роста турбулизации параметров плазмы. Проведенный в работе корреляционный анализ взаимосвязей сбоев параметров L1, L2 и скачков ПЭС показал их значительную корреляцию с динамикой развития магнитной суббури и развитием оптических явлений, связанных с авроральными высыпаниями. Анализ развития ионосферных неоднородностей, полученных по данным УКВ и КВ радара и ROT по данным цепочки ГНСС приемников во время геомагнитной бури 27-28 мая 2017 года показал: (а) одновременное начало появления радиоавроры в УКВ диапазоне и интенсивных вариаций ROT для ГНСС приемника вблизи области зоны действия УКВ радара; (б) одновременное начало появления радиоавроры в КВ диапазоне и интенсивных вариаций ROT для ГНСС приемников вблизи области зоны действия КВ радара; (в) синхронное снижение интенсивности радиоавроры по данным УКВ и КВ радара и ROT в период ослабления интенсивности продольных токов в полуденные часы MLT при переходе от утренней к вечерней структуре продольных токов первой и второй зоны. Временной интервал усиления продольных токов первой и второй зоны и их смещения в сторону экватора совпадает с усилением интенсивности радиоавроры в УКВ диапазоне и увеличением флуктуаций ROT. Это говорит о том, что данные ГНСС приемников и магнитометров могут использоваться как сопутствующие данные при решении задачи радиолокации. Показана принципиальная возможность проводить измерения концентрации плазмы и ее неоднородностей в ионосфере Земли, в том числе и на полярных широтах, на сверхмалых космических аппаратах (наноспутники, кубсаты) с применением радиофизических методов, позволяющие по свойствам принимаемого излучения определять характеристики среды, через которую проходило излучение. Оценки расстояния между двумя спутниками показали, что возможно проводить измерения на расстояниях от 100 м до 100 км. Такие подходы, предложенные участниками проекта, могут быть использованы для исследования ионосферных неоднородностей не только естественного происхождения, но и искусственной ионосферной турбулентности.