Анализ влияния вспышек на солнце на работу спутниковых систем

Солнечная активность оказывает влияние на работу спутниковых систем, в том числе GPS. При этом самым значимым слоем для работы спутниковых систем является ионосфера, характеризующаяся электронной концентрацией, температурой и ионным составом. Цель работы – рассмотреть зависимость между активностью Солнца, ионосферными возмущениями и качеством связи; характеристики ионосферы, критическую частоту слоя F2 во время солнечной активности. Для получения результатов исследования были использованы методы анализа методик детектирования солнечных вспышек, ионограмм отражений высокочастотных импульсных сигналов, генерируемых ионозондами, а также обработки данных методами программирования. Данные для анализа Солнечной   активности   получены   на   сайте   Лаборатории   солнечной   астрономии и гелиофизического приборостроения ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН. Для определения критической частоты слоев ионосферы использовались ионограммы, представленные на сайте института прикладной    геофизики    имени    Е. К. Фёдорова.    Посредством    программирования    на    Python, с использованием библиотек matplotlib, pandas и numpy, были построены графики изменения критической частоты в течение суток. Представлены оригинальные программы для обработки данных. Получены графики изменения критической частоты слоя F2. Проанализированы состояния ионизации атмосферы, в зависимости от Солнечной активности. Представлен анализ изменения критической частоты слоя F2 за период, совпадающий с наибольшей солнечной активностью. Ионограммами подтверждено образование спорадического слоя в тот же период. Результаты анализа показали, что качество работы GPS в условиях магнитных бурь снижается, учащение сбоев навигационного сигнала наблюдается на главной фазе магнитной бури при максимальной возмущенности геомагнитного поля.

1. Янчуковский В. Л., Белинская А. Ю. Верхняя ионосфера в период вспышек солнечных космических лучей и форбуш-понижений галактических космических лучей // Солнечно-земная физика. 2022. 8 (3). 35–40. DOI: 10.12737/szf-83202205

2. Ерухимов Л. М. Ионосфера Земли как космическая плазменная лаборатория // Соросовский образовательный журнал. 1998. 4. 71–77.

3. Куницын В. Е., Назаренко М. О., Нестеров И. А., Падохин А. М. Влияние солнечных вспышек на ионизацию верхней атмосферы. Анализ ряда значительных событий 23-го и 24-го солнечных циклов // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2015. 4. 95–101.

4. Белаховский В. Б., Будников П. А., Калишин А. С., Пильгаев С. В., Ролдугин А. В. Влияние геомагнитных возмущений на сцинтилляции сигналов ГЛОНАСС и GPS спутников по данным наблюдений на Кольском полуострове // Солнечно-земная физика. 2023. 9 (3). 58–72. DOI: 10.12737/szf-93202307

5. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. Москва: Мир, 1977. 370 с.

6. Buonsanto M. J. Ionospheric storms // Space Science Reviews. 1999. 88 (3). 563–601. DOI: 10.1023/A:1005107532631

7. Mendillo M. Storms in the ionosphere: patterns and processes for total electron content // Reviews of Geophysics. 2006. 44 (4). RG4001. DOI: 10.1029/2005RG000193

8. Afraimovich E. L., Voeykov S. V., Perevalova N. P., Ratovsky K. G. Largescale traveling ionospheric disturbances of auroral origin according to the data of the GPS network and ionosondes // Advances in Space Research. 2008. 42 (7). 1213–1217. DOI: 10.1016/j.asr.2007.11.023

9. Astafyeva E., Zakharenkova I., Patrick A. Prompt penetration electric fields and the extreme topside ionospheric response to the June 22–23, 2015 geomagnetic storm as seen by the Swarm constellation // Earth, Planets and Space. 2016. 68. 152. DOI: 10.1186/s40623-016-0526-x

10. Ясюкевич Ю. В., Воейков С. В., Живетьев И. В., Косогоров Е. А. Отклик ионосферы на солнечные вспышки c и m классов в январе–феврале 2010 г // Космические исследования. 2013. 51 (2). 125. DOI: 10.7868/S002342061301010X

11. Svetska Z. Flare observations // Solar Flare Magnetohydrodynamics. (A81- 46076 22-92). New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1981. 47–137.

12. GOES I-M DataBook. Tech. Rep. DRL-101-08. Space Systems Loral. 1996. 196 p.

13. Сыроватский С. В., Ясюкевич Ю. В., Веснин А. М., Едемский И. К., Воейков С. В., Живетьев И. В. Влияние солнечных вспышек на ионосферу Земли в 24-ом цикле солнечной активности // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2018. 4. 1840403 (6).

14. Максимов Д. С., Когогин Д. А., Насыров И. А., Загретдинов Р. В. Влияние солнечных вспышек 5–12 сентября 2017 г. на региональную возмущенность ионосферы Земли по данным ГНСС-станций, расположенных в Приволжском федеральном округе Российской Федерации // Солнечно-земная физика. 2023. 9 (2). 52–59. DOI: 10.12737/szf-92202306

15. Демьянов В. В., Ясюкевич Ю. В. Космическая погода: факторы риска для глобальных навигационных спутниковых систем // Солнечно-земная физика. 2021. 7 (2). 30–52. DOI: 10.12737/szf-72202104

16. Ермолаев Ю. И., Ермолаев М. Ю. Зависит ли сила геомагнитной бури от класса солнечной вспышки? // Космические исследования. 2009. 47 (6). 495–500.

17. Coster A. J., Foster J. C., Erickson P. J., Rich F. J. Regional GPS mapping of storm enhanced density during the July 15– 16 2000 geomagnetic storm // Proceedings of International Beaco Satellite Symposium, June 4–6, 2001. USA: Chestnut Hill, MA. 2001. 2531–2539.

18. Афраймович Э. Л., Лесюта О. С., Ушаков И. И. Геомагнитные возмущения и функционирование навигационной системы GPS // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. 42 (2). 220–227.

19. Пикалов М. В., Шумилов А. Е., Колесник С. А. Статистический анализ характеристик спорадического Es слоя ионосферы по данным сети ионосферных станций // Физика окружающей среды: материалы XIV Международной Школы молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А. Г. Колесника, Томск, 02–04 ноября 2020 года. Томск: СТТ, 2020. 76–79.

20. Сюсюка Е. Н., Писарева П. М. Обеспечение связи в КВ-диапазоне путем отражения радиоволн от ионосферы // Вестник государственного морского университета имени адмирала Ф. Ф. Ушакова. 2023. 3 (44). 33–37.