Основные элементы методики измерений характеристик полярной ионосферы с помощью получения изображений авроральных эмиссий с орбиты перспективной станции РОС
Номер: 44 Год: 2024 Страницы: 35-67
Номер: 44 Год: 2024 Страницы: 35-67
УДК: 550.388.2; 550.388.8; 551.594.5
EDN: ULVTCY
Автор(ы):
Кузьмин Александр Константинович1, e-mail: alkkuzmin@mail.ru
Соколов Алексей Дмитриевич2, e-mail: sokolov.ad@phystech.edu
Учреждения:
1 - ИКИ РАН, г. Москва, Россия
2 - Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия
Аннотация:
Получение и анализ изображений конкретных авроральных эмиссий с разных орбит КА — один из информативных методов исследований и контроля динамики характеристик полярной ионосферы, так как в них отображаются многообразные авроральные структуры в Е- и F-области. На основе изображений эмиссий, полученных с разных высот, и рассчитанных из них карт пространственных распределений энергетических характеристик потоков высыпающихся частиц возможно дистанционно контролировать электродинамическую обстановку ионосферы как в глобальном, так и в локальных масштабах. Актуальность этой методики со временем только увеличивается по мере развития технологий диагностики мгновенных условий в полярной ионосфере и особенно на пространственных масштабах ~1-5 км. Возникает необходимость создания системы контроля этих условий, и особенно там, где возникают мелкомасштабные градиенты Ne на разных высотах в разных секторах MLT, которые, в конечном счете, приводят к генерации процессов неустойчивостей в плазме полярной ионосферы, и, как следствие, в результате которых могут появляться фазовые и амплитудные сцинтилляции трансполярных навигационных и других сигналов. Теоретические основы такой системы были заложены в работах (см., например, [Tsunoda, 1988; Basu et al.,2002; Kintner et al., 2007]). В данной статье рассматриваются элементы методики получения и картографирования конкретных авроральных эмиссий, нацеленные на исследования процессов в плазме на «нижнем этаже» магнитосферно-ионосферной системы при наблюдениях с высоты орбиты перспективной орбитальной станции РОС. Планируемые характеристики орбиты РОС и ее ориентации позволят проводить измерения локальных характеристик плазмы в F-слое ионосферы вокруг РОС, и одновременно проводить дистанционные измерения интенсивностей конкретных авроральных эмиссий в F- и E-слое, включая как неосвещенную, так и освещенную полярную ионосферу, и верхнюю атмосферу. Готовящийся эксперимент на РОС, в конечном счете, может стать частью комплексного проекта, нацеленного на координированные измерения разномасштабных характеристик полярной ионосферы одновременно с разных высот, в котором будут одновременно использоваться КА на разных орбитах; платформы, отделяемые от зондирующих ракет на разных высотах, БПЛА, летающие выше облаков; измерения авроральных эмиссий с помощью сети наземных изображающих камер, магнитометров и риометров, расположенных вдоль всей полярной части территории России, а также радиобуи, работающие на разных частотах. Первые попытки создания основ такой сети были сделаны геофизиками в СССР и других странах еще в 1957-1958 гг. т.е. в период МГГ.
Ключевые слова: полярная ионосфера, авроральные эмиссии, неоднордности электронной концентрации, авроральные имаджеры, орбитальная диагностика, методология контроля состояния характеристик, условия распространения трансполярных сигналов
Сведения об источниках финансирования: -
1 - ИКИ РАН, г. Москва, Россия
2 - Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия
Аннотация:
Получение и анализ изображений конкретных авроральных эмиссий с разных орбит КА — один из информативных методов исследований и контроля динамики характеристик полярной ионосферы, так как в них отображаются многообразные авроральные структуры в Е- и F-области. На основе изображений эмиссий, полученных с разных высот, и рассчитанных из них карт пространственных распределений энергетических характеристик потоков высыпающихся частиц возможно дистанционно контролировать электродинамическую обстановку ионосферы как в глобальном, так и в локальных масштабах. Актуальность этой методики со временем только увеличивается по мере развития технологий диагностики мгновенных условий в полярной ионосфере и особенно на пространственных масштабах ~1-5 км. Возникает необходимость создания системы контроля этих условий, и особенно там, где возникают мелкомасштабные градиенты Ne на разных высотах в разных секторах MLT, которые, в конечном счете, приводят к генерации процессов неустойчивостей в плазме полярной ионосферы, и, как следствие, в результате которых могут появляться фазовые и амплитудные сцинтилляции трансполярных навигационных и других сигналов. Теоретические основы такой системы были заложены в работах (см., например, [Tsunoda, 1988; Basu et al.,2002; Kintner et al., 2007]). В данной статье рассматриваются элементы методики получения и картографирования конкретных авроральных эмиссий, нацеленные на исследования процессов в плазме на «нижнем этаже» магнитосферно-ионосферной системы при наблюдениях с высоты орбиты перспективной орбитальной станции РОС. Планируемые характеристики орбиты РОС и ее ориентации позволят проводить измерения локальных характеристик плазмы в F-слое ионосферы вокруг РОС, и одновременно проводить дистанционные измерения интенсивностей конкретных авроральных эмиссий в F- и E-слое, включая как неосвещенную, так и освещенную полярную ионосферу, и верхнюю атмосферу. Готовящийся эксперимент на РОС, в конечном счете, может стать частью комплексного проекта, нацеленного на координированные измерения разномасштабных характеристик полярной ионосферы одновременно с разных высот, в котором будут одновременно использоваться КА на разных орбитах; платформы, отделяемые от зондирующих ракет на разных высотах, БПЛА, летающие выше облаков; измерения авроральных эмиссий с помощью сети наземных изображающих камер, магнитометров и риометров, расположенных вдоль всей полярной части территории России, а также радиобуи, работающие на разных частотах. Первые попытки создания основ такой сети были сделаны геофизиками в СССР и других странах еще в 1957-1958 гг. т.е. в период МГГ.
Ключевые слова: полярная ионосфера, авроральные эмиссии, неоднордности электронной концентрации, авроральные имаджеры, орбитальная диагностика, методология контроля состояния характеристик, условия распространения трансполярных сигналов
Сведения об источниках финансирования: -
Кузьмин, А. К. Основные элементы методики измерений характеристик полярной ионосферы с помощью получения изображений авроральных эмиссий с орбиты перспективной станции РОС / А. К. Кузьмин, А. Д. Соколов // Гелиогеофизические исследования. – 2024. – № 44. – С. 35-67. – EDN ULVTCY.
The main elements of the methodology for measuring the characteristics of the polar ionosphere by obtaining images of auroral emissions from the orbit of the promising ROS station
Number: 44 Year: 2024 Pages: 35-67
Number: 44 Year: 2024 Pages: 35-67
Kuzmin Alexander Konstantinovich1, e-mail: alkkuzmin@mail.ru
Sokolov Alexey Dmitrievic2, e-mail: sokolov.ad@phystech.edu
Institutions:
1 - IKI RAS, Moscow, Russia
2 - Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University), Moscow, Russia
Abstract
Obtaining and analyzing images of specific auroral emissions from different spacecraft orbits is one of the informative methods for studying and monitoring the dynamics of the characteristics of the polar ionosphere, since they display diverse auroral structures in the E and F regions. Based on emission images obtained from different heights and maps of spatial distributions of the energy characteristics of the fluxes of precipitating particles calculated from them, it is possible to remotely control the electrodynamic situation of the ionosphere on both global and local scales. The relevance of this technique only increases over time with the development of technologies for diagnosing instantaneous conditions in the polar ionosphere and especially at spatial scales of ~ 1-5 km. There is a need to create a control system for these conditions, and especially where small-scale Ne gradients occur at different heights in different MLT sectors, which ultimately lead to the generation of instability processes in the plasma of the polar ionosphere, and, as a result of which phase and amplitude scintillations of transpolar navigation and other signals may appear. The theoretical foundations of such a system were laid in the works (see, for example [Tsunoda, 1988; Basu et al., 2002; Kintner et al., 2007]). This article discusses the elements of a technique for obtaining and mapping specific auroral emissions aimed at studying plasma processes on the "lower floor" of the magnetospheric-ionospheric system during observations from the height of the orbit of the promising ROS orbital station. The planned characteristics of the ROS orbit and its orientation will allow measurements of local plasma characteristics in the F-layer of the ionosphere around the ROS, and at the same time remote measurements of the intensities of specific auroral emissions in the F- and E-layer, including both the unlit and illuminated polar ionosphere and the upper atmosphere. The upcoming experiment at ROS may eventually become part of a comprehensive project aimed at coordinated measurements of the multi-scale characteristics of the polar ionosphere simultaneously from different altitudes, which will simultaneously use spacecraft in different orbits; platforms separated from sounding rockets at different altitudes, drones flying above the clouds; measurements of auroral emissions using a network ground-based imaging cameras, magnetometers and riometers located along the entire polar part of the territory of Russia, as well as radio beacons operating at different frequencies. The first attempts to create the foundations of such a network were made by geophysicists in the USSR and other countries back in 1957-1958, i.e. during the MGG period.
Keywords: polar ionosphere, auroral emissions, inhomogeneties of electron concentration, auroral imagers, orbital diagnostics, methodology for monitoring the state of characteristics, conditions for the propagation of transpolar signals
Information about sources of financing: -
1 - IKI RAS, Moscow, Russia
2 - Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University), Moscow, Russia
Abstract
Obtaining and analyzing images of specific auroral emissions from different spacecraft orbits is one of the informative methods for studying and monitoring the dynamics of the characteristics of the polar ionosphere, since they display diverse auroral structures in the E and F regions. Based on emission images obtained from different heights and maps of spatial distributions of the energy characteristics of the fluxes of precipitating particles calculated from them, it is possible to remotely control the electrodynamic situation of the ionosphere on both global and local scales. The relevance of this technique only increases over time with the development of technologies for diagnosing instantaneous conditions in the polar ionosphere and especially at spatial scales of ~ 1-5 km. There is a need to create a control system for these conditions, and especially where small-scale Ne gradients occur at different heights in different MLT sectors, which ultimately lead to the generation of instability processes in the plasma of the polar ionosphere, and, as a result of which phase and amplitude scintillations of transpolar navigation and other signals may appear. The theoretical foundations of such a system were laid in the works (see, for example [Tsunoda, 1988; Basu et al., 2002; Kintner et al., 2007]). This article discusses the elements of a technique for obtaining and mapping specific auroral emissions aimed at studying plasma processes on the "lower floor" of the magnetospheric-ionospheric system during observations from the height of the orbit of the promising ROS orbital station. The planned characteristics of the ROS orbit and its orientation will allow measurements of local plasma characteristics in the F-layer of the ionosphere around the ROS, and at the same time remote measurements of the intensities of specific auroral emissions in the F- and E-layer, including both the unlit and illuminated polar ionosphere and the upper atmosphere. The upcoming experiment at ROS may eventually become part of a comprehensive project aimed at coordinated measurements of the multi-scale characteristics of the polar ionosphere simultaneously from different altitudes, which will simultaneously use spacecraft in different orbits; platforms separated from sounding rockets at different altitudes, drones flying above the clouds; measurements of auroral emissions using a network ground-based imaging cameras, magnetometers and riometers located along the entire polar part of the territory of Russia, as well as radio beacons operating at different frequencies. The first attempts to create the foundations of such a network were made by geophysicists in the USSR and other countries back in 1957-1958, i.e. during the MGG period.
Keywords: polar ionosphere, auroral emissions, inhomogeneties of electron concentration, auroral imagers, orbital diagnostics, methodology for monitoring the state of characteristics, conditions for the propagation of transpolar signals
Information about sources of financing: -