Формирование, диагностика и мониторинг плазменных структур различных масштабов в Арктическом и Антарктическом регионах ионосферы Земли, их влияние на качество радиосвязи, радиолокации и работу навигационных спутниковых систем

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 17-77-20009

НазваниеФормирование, диагностика и мониторинг плазменных структур различных масштабов в Арктическом и Антарктическом регионах ионосферы Земли, их влияние на качество радиосвязи, радиолокации и работу навигационных спутниковых систем

Руководитель Клименко Максим Владимирович, Доктор 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 №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «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; 07-608 - Ионосфера

Ключевые слова полярная ионосфера, модель ионосферы, распространение радиоволн, радиолокация, радиосвязь, навигация, плазменные неоднородности и неустойчивости, космическая погода Арктики и Антарктики, ГЛОНАСС, навигационные спутниковые системы

Код ГРНТИ37.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение динамики полярной структуры ионосферы является актуальным разделом геофизики, имеющим большое прикладное значение, особенно для России. В отличие от экваториальной и среднеширотной ионосферы, полярная область характеризуется сравнительно низкими значениями электронной концентрации, являясь при этом сильно структурированной средой из-за наличия большого количества неоднородностей различных масштабов, от метров до сотен километров. Неоднородности возникают вследствие процессов магнитосферно-ионосферного взаимодействия, связанных с авроральной активностью, в частности, с высыпаниями энергичных частиц, а также процессов переноса и разогрева плазмы за счет магнитосферных электрических полей и продольных токов. При таком механизме формирования ионосферы высоких широт, неоднородности потоков частиц передаются из магнитосферы в ионосферу, что создает большие помехи для радиосвязи в ионосфере Земли за счет интерференции радиоволн на плазменных неоднородностях. Кроме того, понимание особенностей полярной ионосферы необходимо для корректного использования спутниковых навигационных систем в высоких широтах. Основные ошибки определения местоположения и времени с помощью систем GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобaльная навигационная спутниковая система) связаны с прохождением сигналов через ионосферу. Существующие же в настоящее время эмпирические модели ионосферы, чаще всего используемые в качестве моделей среды для задач распространения радиоволн, недостаточно точно описывают параметры среды, в том числе в периоды геомагнитных возмущений. Это относится и к наиболее часто используемой международной справочной модели IRI, особенно в высокоширотной области. Увеличение темпов развития программ по освоению Арктики и наметившийся рост в использовании высоких широт для перевозки пассажиров воздушным транспортом делают задачу обеспечения надежности радиосвязи одной из наиболее важных. Таким образом, создание глобальной эмпирической модели, включающей высокоширотную ионосферу, является особенно актуальным и приоритетным направлением в исследовании ионосферы Земли. Основные цели данного проекта, позволяющие получить результаты мирового уровня, следующие: 1. Построить глобальную эмпирическую модель параметров максимума F области ионосферы и полного электронного содержания более точную, чем существующие мировые и российские аналоги; 2. Используя улучшенную модель ионосферы и набор моделей расчета лучевых траекторий и радиотрасс КВ-диапазона, которые будут доработаны в ходе выполнения данного проекта, создать на их основе комплекс программ прогноза применимых частот, который может быть использован для уточнения параметров работы передающих станций, систем радиолокации и противовоздушной обороны; 3. Провести на основе созданного комплекса программ фундаментальные исследования в области физики ионосферы (по глобальной структуре и долготному эффекту в распределении электронной концентрации, влиянию солнечной и геомагнитной активности в различные сезоны в выделенных широтных и долготных секторах, и т.д.) и распространении радиоволн (исследование функционала оптической длины пути, влияние магнитного поля на распространение КВ радиоволн, и т.д.); 4. Развить и апробировать методику адаптации параметров модели высокоширотной ионосферы по данным наклонного полного электронного содержания (ПЭС), предложенную и используемую на практике для среднеширотной ионосферы. Также в ходе выполнения проекта планируется осуществить детальное исследование формирования и динамики плазменных неоднородностей различных масштабов в полярной и приполярной ионосфере Земли, поскольку плазменные неоднородности могут порождать новые и изменять существующие ионосферно-магнитосферные связи и оказывать существенное влияние на качество радиосвязи, радиолокации и работу навигационных спутниковых систем. В рамках проекта планируется исследовать влияние высокоширотных неоднородностей различных масштабов на качество работы радиолокационных систем. Научная новизна данного проекта состоит: (1) в создании более точной, чем имеющиеся в настоящее время, глобальной эмпирической модели максимума слоя F2 на основе которой могут быть получены новые знания о широтной и долготной структуре полярной ионосферы; (2) в разработке новых методов расчетов радиотрасс в трехмерно-неоднородной ионосфере; (3) в отказе от упрощений, связанных с предположением об однородности, бесконечности и стационарности плазмы, при изучении неоднородностей в ионосферной плазме.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Оводенко В., Захаренкова И., Клименко М., Тютин И., Успенский М., Котова Д., Ратовский К., Чирик Н., Клименко В., Рахматулин Р., Пашинин А., Дмитриев А., Суворова А. Ionospheric Irregularities over Norilsk during the 27-28 May 2017 Geomagnetic Storm 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting (AT-RASC), G05-5 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471415

2. Котова Д.С., Оводенко В.Б., Ясюкевич Ю.В., Клименко М.В., Мыльникова А.А., Козловский А.Е., Гусаков А.А. Коррекция эмпирических ионосферных моделей IRI-Plas и NeQuick в высокоширотном регионе с использованием данных отдаленных приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем Химическая физика, Т. 37, № 7, с. 87–92 (год публикации - 2018)
10.1134/S0207401X18070129

3. Чирик Н.В., Клименко М.В., Карпачев А.Т., Ратовский К.Г., Клименко В.В., Лещенко В.С., Коренькова Н.А. Оптимальный индекс солнечной активности связанный с F10.7, для эмпирической модели F2-слоя ионосферы Химическая физика, T. 37, № 7, C. 93–96 (год публикации - 2018)
10.1134/S0207401X18070051

4. Карпачев А.Т., Клименко М.В., Клименко В.В. Longitudinal variations of the ionospheric trough position Advances in Space Research, V. 63 (2), P. 950-966 (год публикации - 2019)
10.1016/j.asr.2018.09.038

5. Носиков И.А., Клименко М.В., Бессараб П.Ф. Identification of Low and High Ionospheric Rays by a Direct Variational Method Radio Science Conference (URSI AT-RASC), 2018 2nd URSI Atlantic. Gran Canaria, Spain, S-B03-P (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471460

6. Черняк Ю.В., Захаренкова И.Е. Evaluation of the IRI-2016 and NeQuick electron content specification by COSMIC GPS radio occultation, ground-based GPS and Jason-2 joint altimeter/GPS observations Advances in Space Research, Volume 63, Issue 6, Pages 1845-1859 (год публикации - 2018)
10.1016/j.asr.2018.10.036

7. Клименко М., Чирик Н., Котова Д., Носиков И., Жбанков Г., Ратовский К., Карпачев А., Пустовалова Л., Бессараб Ф., Бессараб П., Клименко В., Захаренкова И., Благовещенский Д. Development of improved ionospheric empirical model and software for HF ray tracing 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting (AT-RASC), S-G02-09 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471348

8. Котова Д., Оводенко В., Ясюкевич Ю., Мыльникова А., Клименко М. Ground-Based GNSS Data for the Ionosphere Model Correction at high-latitudes 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting (AT-RASC), S-G02-12 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471472

9. Чернышов А., Спичер А., Ильясов А., Милош В., Могилевский М. Role of plasma inhomogeneities in the generation of broadband waves in the polar ionosphere 2nd URSI AT-RASC, Gran Canaria, H02-5 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471639

10. Котова Д.С., Оводенко В.Б. Метод коррекции параметров эмпирических моделей ионосферы по данным наклонного полного электронного содержания Сборник конференции “Астрономия-2018” Том 2. Солнечно-земная физика – современное состояние и перспективы, С. 114-117 (год публикации - 2018)
10.31361/eaas.2018-2.029

11. Карпачев А.Т., Чирик Н.В., Клименко В.В., Клименко М.В. Эмпирические модели электронной концентрации в максимуме высокоширотного F2 слоя ионосферы на основе спутниковых измерений для различных уровней солнечной активности Сборник конференции “Астрономия-2018” Том 2. Солнечно-земная физика – современное состояние и перспективы, C. 98-101 (год публикации - 2018)
10.31361/eaas.2018-2.025

12. Чугунин Д.В., Могилевский М.М. Ion heating on the poleward moving of the auroral oval polar boundary Proceedings of VI International conference “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Part 2, P. 92-96. (год публикации - 2018)

13. Котова Д.С. Алгоритм трехмерной «пристрелки» на основе численной модели распространения коротких радиоволн в ионосфере Proceedings of the 41st Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”, C. 129-130 (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2588-0039.2018.41.129-130

14. Котова Д.С., Клименко М.В., Клименко В.В., Благовещенский Д.В., Захаров В.Е. Анализ высокоширотных ионограмм наклонного зондирования в период геомагнитной бури 17 марта 2015 г. Proceedings of the 41st Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”, C. 131-134 (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2588-0039.2018.41.131-134

15. Котова Д.С., Клименко М.В., Клименко В.В., Благовещенский Д.В., Захаров В.Е., Веснин А.М. Model Simulation of Oblique Sounding Ionograms between Lovozero and Gorkovskaya during St. Patrick's Day 2015 Geomagnetic Storm Proceedings of VI international conference Atmosphere, Ionosphere and Safety, Part 2, P. 44-49 (год публикации - 2018)

16. Chirik N.V., Klimenko M.V., Karpachev A.T., Klimenko V.V., Pustovalova L.V. Radio Occultation Data for High-Latitudinal F2-Layer Empirical Modeling Proceedings of VI International conference “Atmosphere, Ionosphere, Safety” (год публикации - 2018)

17. Сомина Е.Р., Носиков И.А., Клименко М.В., Бессараб П.Ф., Жбанков Г.А., Иванова В.А., Подлесный А.В. Oblique Sounding Ionogram Simulation for HF Ray Traces over Siberian and Far Eastern regions Proceedings of VI International conference “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Part 2, P. 133–137 (год публикации - 2018)

18. Носиков И.А., Клименко М.В., Бессараб П.Ф., Жбанков Г.А. Features of Radio Ray Identification by a Direct Variational Method Proceedings of VI International conference “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Part 2, P. 49–53 (год публикации - 2018)

19. Чернышов А., Спичер А., Ильясов А., Милош В. Small-scale plasma inhomogeneities in the Earth's ionosphere of the Arctic region Proceedings of VI International conference “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Part 2, P. 62-67. (год публикации - 2018)

20. Клименко М.В., Захаренкова И.Е., Клименко В.В., Лукьянова Р.Ю., Черняк Ю.В. Simulation and observations of the polar tongue of ionization at different heights during the 2015 St. Patrick's Day storm Space Weather, V. 17, 1073–1089 (год публикации - 2019)
10.1029/2018SW002143

21. Клименко М.В., Клименко В.В., Бессараб Ф.С., и др. Последние достижения и проблемы в моделировании системы термосфера–ионосфера ТРУДЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ БАЙКАЛЬСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ и Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом», Лекция. БШФФ-2019, С. 11-16 (год публикации - 2019)

22. Клименко М.В., Карпачев А.Т., Ратовский К.Г.,, Котова Д.С., Оводенко В.Б., Ясюкевич Ю.В., Ясюкевич А.С., Жбанков Г.А., Теменс Д., Клименко В.В. Ionosphere as a Medium of Radio Wave Propagation in Different Applied Tasks IEEE 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), P. 117-120 (год публикации - 2019)
10.1109/RWP.2019.8810245

23. Носиков И.А., Клименко М.В., Жбанков Г.А., Подлесный А., Иванова В., Бессараб П.Ф. Generalized Force Approach to Point-to-Point Ionospheric Ray Tracing and Systematic Identification of High and Low Rays IEEE Transactions on Antennas and Propagation (год публикации - 2019)
10.1109/TAP.2019.2938817

24. Котова Д.С., Захаренкова И.Е., Клименко М.В., Оводенко В.Б., Тютин И.В., Чугунин Д.В., Чернышов А.А., Ратовский К.Г., Чирик Н. В., Успенский М. В., Клименко В. В., Рахматулин Р. А., Пашин А. Ю., Дмитриев А. В., Суворова А. В. Formation of Ionospheric Irregularities in the East Siberian Region during the Geomagnetic Storm of May 27–28, 2017 Russian Journal of Physical Chemistry B, Vol. 14, No. 2, pp. 377–389 (год публикации - 2020)
10.1134/S1990793120020232

25. Котова Д.С., Оводенко В.Б., Ясюкевич Ю.В., Клименко М.В., Ратовский К.Г., Мыльникова А.А., Андреева Е.С., Козловский А.Е., Коренькова Н.А., Нестеров И.А., Туманова Ю.А. Efficiency of updating the ionospheric models using total electron content at mid- and sub-auroral latitudes GPS Solutions, V. 24, N. 25 (год публикации - 2020)
10.1007/s10291-019-0936-x

26. Носиков И.А., Клименко М.В., Бессараб П.Ф. Глобальная оптимизация как способ исключения проблемы задания начальных условий при модельном расчете радиотрасс Сборник трудов XXVI Всероссийской открытой научной конференции «Распространение радиоволн» (РРВ-26), Том II, с. 426–429 (год публикации - 2019)

27. Чернышов А.А., Милош В.Й., Жин Й., Захаров В.И. Relationship between TEC jumps and auroral substorm in the high-latitude ionosphere Scientific Reports, 10, 6363 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-63422-9

28. Носиков И.А., Толченников А.А., Клименко М.В., Доброхотов С.Ю. Вариационный метод расчета лучевых траекторий и фронтов волн цунами, порожденных локализованным источником Журнал вычислительной математики и математической физики, Т. 60, №. 8. (год публикации - 2020)

29. Ильясов А. А., Чернышов А. А., Могилевский М. М., Головчанская И. В., Козелов Б. В. Неустойчивость, вызванная неоднородным распределением плотности энергии, как возможный источник электростатического широкополосного шума Химическая физика, том 37, № 5 (год публикации - 2018)

30. Чернышов A.A., Спичер A., Ильясов A.A., Милош В., Клаусен Л., Саито Ю., Джин Я., Моен Й. Studies of small-scale plasma inhomogeneities in the cusp ionosphere using sounding rocket data Physics of Plasmas, Volume 25, Issue 4 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5026281

31. Носиков И.А., Клименко М.В., Бессараб П.Ф., Жбанков Г.А. Применение прямого вариационного метода поиска верхних и нижних лучей в задаче расчета КВ-радиотрасс в ионосфере Сборник трудов БШФФ-2017 и XV Конференции молодых ученых, Иркутск. 2017, С. 129 – 131 (год публикации - 2017)

32. Клименко М.В., Клименко В.В., Дэспирак И.В., Захаренкова И.Е., Козелов Б.В., Черняков С.М., Андреева Е.С.,Терещенко Е.Д., Веснин А.М., Коренькова Н.А., Гомонов А.Д., Васильев Е.Б., Ратовский К.Г. Disturbances of the thermosphere-ionosphere-plasmasphere system and auroral electrojet at 30°E longitude during the St. Patrick's Day geomagnetic storm on 17–23 March 2015 Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (год публикации - 2018)
10.1016/j.jastp.2017.12.017

33. Чугунин Д.В., Клименко М.В., Клименко В.В. Характеристики потоков полярного ветра на высотах ~20000 км Химическая физика, том 37, № 5 (год публикации - 2018)

34. Захаренкова И., Черняк Ю. Underutilized spaceborne GPS observations for space weather monitoring Space Weather, Space Weather, 16. https://doi.org/10.1002/2017SW001756 (год публикации - 2018)
10.1002/2017SW001756

35. Чирик Н.В., Клименко М.В., Клименко В.В., Карпачев А.Т., Ратовский К.Г., Коренькова Н.А. Принципы обработки и отбора данных радиозатменных наблюдений для исследования F2-слоя ионосферы Химическая физика, Т. 36. № 12, С. 66–74. (год публикации - 2017)
10.7868/S0207401X17120081

36. Котова Д.С., Оводенко В.Б., Ясюкевич Ю.В., Клименко М.В., Мыльникова А.А., Козловский А.Е. Коррекция модели NeQuick в высокоширотном регионе с использованием данных наклонного полного электронного содержания Physics of Auroral Phenomena, Т. 40, № 1 (41), С. 120-124 (год публикации - 2017)

Публикации