Распространение высокочастотных радиоволн чувствительно к ионосферным возмущениям, вызванным космической погодой, которые возникают в результате усиленной фотоионизации и осаждения энергичных частиц. Признавая потенциальный риск для систем высокочастотной радиосвязи, используемых авиационной промышленностью, а также потенциальное воздействие на навигацию по GPS и риск повышенных уровней радиации, Международная гражданская авиационная организация (МГАО) инициировала создание консультативной службы по космической погоде.
Ключевые слова : космическая погода, распространение радиоволн, ионосфера, авиация.
Термин «космическая погода» описывает процессы, начинающиеся на Солнце, которые вызывают возмущения в космической среде, геомагнитном поле, ионосфере и термосфере Земли. Усиленная ионизация в ионосфере из–за фотоионизации и осаждения энергичных частиц из-за магнитосферно-ионосферной связи, которая может усиливаться в периоды повышенной солнечной активности, приводит к ионосферным возмущениям. Эти нарушения влияют на высокочастотную (3–30 МГц) радиоволновую связь, используемую в авиационной промышленности.
Распространение радиосигналов сильно зависит от электронной плотности ионосферы, которая определяет, будет ли передаваемый сигнал поглощен в ионосфере D-области, отражен в ионосфере E или F-области обратно к земле, или передаваться полностью через ионосферу [1]. Диапазон частот сигнала, подходящий для прохождения в вышесказанных областях, ограничен самой низкой используемой частотой (LUF) и максимальной используемой частотой (MUF). Передачи ниже LUF поглощаются в ионосфере, а передачи выше MUF проникают в ионосферу и не отражаются. Климатология электронных плотностей ионосферы и, следовательно, обычные LUF и муфты для радиотрассы регулируются суточными, сезонными факторами и факторами солнечного цикла, поскольку фотоионизация под действием солнечной радиации изменяется с указанием времени суток, сезона и фазы солнечного цикла. Отклонения в электронной плотности ионосферы, вызванные ионосферными возмущениями, смещают диапазон используемых частот либо путем повышения LUF и/или понижения MUF [2]. Сильные возмущения космической погоды могут привести к смещению LUF и/или MUF таким образом, что высокочастотная радиосвязь серьезно ухудшится или станет полностью непригодной для использования.
Международная организация гражданской авиации признает космическую погоду опасной для авиации с потенциальным воздействием на услуги GPS и воздействием радиации. Рекомендации по космической погоде, подготовленные глобальными центрами, распространяются среди пользователей через сеть аэронавигационной фиксированной электросвязи таким же образом, как и рекомендации по метеорологической авиации.
Консультативная служба по космической погоде определяет пороговые значения, при которых воздействие умеренной и сильной космической погоды является ожидаемой для авиации [3].
Явления космической погоды влияют на радиосвязь, сужая диапазон используемых частот: либо за счет увеличения поглощения в D-области, повышающего LUF, либо за счет уменьшения энергии и электронная плотность в области F снижает MUF. Правильная идентификация источника воздействия определяет, необходим ли переход на более высокие или более низкие частоты для продолжения использования радиосвязи. В тяжелых случаях UF или MUF смещается настолько резко, что частотное окно сводится к нулю, так что связь невозможна: состояние, называемое «отключением радиосвязи».
Основными явлениями, влияющими на радиосвязь, являются поглощение и послештормовая депрессия MUF (PSD) [4]. Высокочастотные сигналы подвержены поглощению в ионосфере D-области из-за взаимодействия радиоволн с частицами ионосферы. Энергия от радиоволн передается заряженным частицам в ионосфере и может быть потеряна в результате столкновений с нейтральными частицами перед повторным излучением. Ионосфера D-области имеет высокую плотность нейтральных частиц по сравнению с верхними E и F-областями ионосферы. Эта более высокая плотность нейтральных частиц приводит к увеличению частоты столкновений частиц, в результате чего радиоволны рассеиваются или поглощаются в виде тепла, тем самым снижая уровень сигнала. Увеличение электронной плотности в D-области, часто вызываемое космической погодой, приводит к увеличению поглощения. Существует три основных типа поглощения, влияющих на радиосвязь: поглощение коротких волн, поглощение полярных сияний и поглощение полярной «шапки».
Верхний предел высокочастотных волн, описываемого муфтой, зависит от профиля электронной плотности F-области [5]. После начала геомагнитной бури плотность электронов в F-области может снизиться ниже значений спокойного времени (отрицательный штормовой эффект). Негативные последствия шторма могут длиться несколько десятков часов и могут вызвать трудности для высокочастотных радиолиний, работающих на более высоких частотах. Геомагнитные бури также могут вызывать электронную плотность в области F улучшения (положительный эффект шторма). Положительные эффекты шторма не наносят ущерба высокочастотным системам [6].
Отрицательные эффекты шторма связаны с уменьшением отношения атомарного кислорода к молекулярному азоту в термосфере нижнего полярного сияния, вызванного вызванным штормом нагревом Джоуля и осаждающих частиц. По мере того как нейтральный газ становится более молекулярным, скорость рекомбинации увеличивается, а электронная плотность окружающей ионосферы уменьшается. Полярное сияние также приводит к усилению ветров, направленных к экватору, которые переносят обедненный отношением атомарного кислорода к молекулярному азоту газовый экватор [7]. Экваториальный предел отрицательного штормового эффекта регулируется наложением двух крупномасштабных систем термосферной циркуляции: ветров, вызванных штормом (зависит от интенсивности шторма) и фоновых солнечных ветров, изменяющихся в зависимости от сезона и местного времени.
Несмотря на то, что механизм отрицательного шторма в целом хорошо изучен, по-прежнему трудно предсказать, когда, где и насколько сильным будет отрицательный эффект ионосферного шторма. В целом, негативные штормовые эффекты сначала проявляются в авроральных и субавроральных зонах ночной стороны; величина депрессий и степень их расширения к экватору увеличиваются с увеличением интенсивности шторма. Эти депрессии происходят во все сезоны, но наименее вероятны зимой.
Максимальная электронная плотность ионосферы и высота, на которой происходят эти максимальные электронные плотности, могут быть извлечены из наземных наблюдений ионозондов и также получены на основе спутниковых наблюдений с использованием методов радиозакрытия.
Информация о частоте возникновения и продолжительности нарушений космической погоды необходима центрам обслуживания космической погоды для предоставления оперативных услуг, а отрасли — для разработки соответствующих стратегий смягчения последствий. Международной организацией гражданской авиации (МОГА) для определения событий, при которых космическая погода может повлиять на высокочастотную радиосвязь, и оценивается частота и продолжительность событий на основе наборов данных, охватывающих несколько солнечных циклов. Изученные явления включают поглощение и послештормовое снижение максимальной полезной частоты (PSD) [7]. Порог затухания коротких волн определяется в терминах сила электромагнитного излучения от солнечных вспышек, определяемая измерениями потока солнечного рентгеновского излучения.
Частота возникновения событий PSD тесно связана с солнечным циклом, причем большее число событий происходит во время солнечного максимума (62 %) и близко к нулю событий в месяц, происходящих во время солнечного минимума. События чаще всего наблюдались во время 22-го солнечного цикла (66 %) по сравнению с 23-м солнечным циклом (34 %) [8].
Определение частоты возникновения и типичной продолжительности явлений поглощения и послештормовой депрессии, которые могут повлиять на высокочастотную радиоволновую связь, используемую авиацией, является ценным вкладом в разработку как стратегий снижения рисков, так и оперативных служб для отрасли
Литература:
- Baker DN, Stauning P, Hones EW Jr, Higbie PR, Belian RD. 1981. Near-equatorial, high-resolution measurements of electron precipitation at. J Geophys Res 86;
- Bilitza D, Altadill D, Truhlik V, Shubin V, Galkin I, Reinisch B, Huang X. 2017. International reference ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather 15;
- Basler RP. 1963. Radio wave absorption in the auroral ionosphere. J Geophys Res 68;
- Chakraborty S, Ruohoniemi JM, Baker JBH, Nishitani N. 2018. Characterization of short-wave fadeout seen in daytime SuperDARN ground scatter observations. Radio Sci 53;
- Kauristie K, Andries J, Beck P, Berdermann J, Berghmans D, et al. 2021. Space weather services for civil aviation — challenges and solutions. Remote Sens 13;
- Knipp DJ, Bernstein V, Wahl K, Hayakawa H. 2021. Timelines as a tool for learning about space weather storms. J Space Weather Space Clim 11;
- Mendillo M. 2006. Storms in the ionosphere: Patterns and processes for total electron content. Rev Geophys 44;
- Sauer H, Wilkinson DC. 2008. Global mapping of ionospheric HF/ VHF radio wave absorption due to solar energetic protons. Space Weather 6
