Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67255510.31857/S0023420623600137CBKGGXArticlesСтатьиUnknownDetermination of the Effective Collision Frequency of Electrons in the E and D Regions of the High-Latitude Ionosphere from Analysis of Radio Occultation MeasurementsОпределение эффективной частоты столкновения электронов в области E и D ионосферы высоких широт по данным анализа радиозатменных измеренийGubenkoV. N.ГубенкоВ. Н.vngubenko@gmail.comAndreevV. E.АндреевВ. Е.vngubenko@gmail.comKirillovichI. A.КирилловичИ. А.vngubenko@gmail.comGubenkoT. V.ГубенкоТ. В.vngubenko@gmail.comPavelyevA. A.ПавельевА. А.vngubenko@gmail.comGubenkoD. V.ГубенкоД. В.vngubenko@gmail.comKotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 141190, Fryazino, Moscow oblast, RussiaФрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН0111202361645446027022025Copyright ©; 2023, В.Н. Губенко, В.Е. Андреев, И.А. Кириллович, Т.В. Губенко, А.А. Павельев, Д.В. ГубенкоCopyright ©; 2023, В.Н. Губенко, В.Е. Андреев, И.А. Кириллович, Т.В. Губенко, А.А. Павельев, Д.В. Губенко2023В.Н. Губенко, В.Е. Андреев, И.А. Кириллович, Т.В. Губенко, А.А. Павельев, Д.В. ГубенкоВ.Н. Губенко, В.Е. Андреев, И.А. Кириллович, Т.В. Губенко, А.А. Павельев, Д.В. Губенкоhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672555

Collisions between electrons and neutral molecules are of special interest for the physics of the Earth’s ionosphere, in particular, for determining the ionospheric conductivity and current systems in the lower ionosphere of the planet, as well as elucidating the role they play in attenuating radio waves propagating inside the D and E regions of the ionosphere. The effective collision frequency of electrons can be estimated from laboratory studies of electron mobility in atmospheric gases in combination with rocket measurements of temperature and particle density in the Earth’s upper atmosphere, or it can be determined independently from analysis of radio occultation data. We have developed a method for reconstructing the vertical profiles of the absorption coefficient of decimeter (wavelength ~19 cm) radio waves by solving the inverse problem of signal absorption in the D and E regions of the Earth’s ionosphere. Based on the analysis of radio occultation data from the FORMOSAT-3/COSMIC satellites, the altitude profiles of the absorption coefficient of decimeter (DM) radio waves in the planet’s ionosphere during the geomagnetic storm on June 22–23, 2015, were determined. It is known that the absorption coefficient at a given fixed frequency is directly proportional to both the electron density and the collision frequency of electrons with ions and neutrals. Using the data on the vertical profiles of the absorption coefficient of DM radio waves and the electron density reconstructed from the analysis of FORMOSAT-3/COSMIC radio occultations, we estimated the effective collision frequency of electrons in the D and E regions of the Earth’s high-latitude ionosphere. The practical significance of studying the frequency of electron collisions and the effects of radio wave absorption in the D and E regions of the planet’s ionosphere is associated with maintaining the uninterrupted operation of space radio communication and navigation systems.

Изучение столкновений между электронами и нейтральными молекулами представляет особый интерес для физики ионосферы Земли, в частности, с точки зрения определения ионосферной проводимости и токовых систем в нижней ионосфере планеты и выяснения роли, которую эти столкновения играют в ослаблении радиоволн, распространяющихся внутри D- и Е-областей ионосферы. Эффективную частоту столкновений электронов можно оценить по лабораторным исследованиям подвижности электронов в атмосферных газах в сочетании с ракетными измерениями температуры и плотности частиц в верхней атмосфере Земли, также ее можно определить независимо из анализа радиозатменных данных. Нами разработан метод восстановления вертикальных профилей коэффициента поглощения дециметровых (длина волны ∼19 см) радиоволн, базирующийся на решении обратной задачи о поглощении сигнала в D- и Е-областях ионосферы Земли. По результатам анализа радиозатменных данных спутников FORMOSAT-3/COSMIC были определены высотные профили коэффициента поглощения дециметровых (ДМ) радиоволн в ионосфере планеты во время магнитной бури 22–23.VI.2015. Известно, что величина коэффициента поглощения на данной фиксированной частоте прямо пропорциональна произведению электронной плотности и частоты столкновений электронов с ионами и нейтралами. С использованием полученных данных о вертикальных профилях коэффициента поглощения ДМ-радиоволн и электронной плотности, восстановленных из анализа радиозатменных данных FORMOSAT-3/COSMIC, была оценена эффективная частота столкновений электронов в D- и Е-областях высокоширотной ионосферы Земли. Практическая значимость изучения частоты столкновений электронов и эффектов поглощения радиоволн в D- и Е-областях ионосферы планеты связана с обеспечением бесперебойной работы систем космической радиосвязи и навигации.

Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А. и др. Радиозатменные исследования возмущений в ионосфере Земли во время магнитной бури 22–23 июня 2015 года // Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61. № 6. С. 713–722. https://doi.org/10.31857/S0016794021060067Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А. и др. Вариации параметров радиоволн в высокоширотной ионосфере Земли на трассах спутник–спутник во время геомагнитной бури 22–23.VI.2015 // Космич. исслед. 2021. Т. 59. № 3. С. 191–195. https://doi.org/10.31857/S0023420621030055Губенко В.Н., Андреев В.Е., Кириллович И.А. и др. Коэффициент поглощения дециметровых радиоволн (∼19 см) в ионосфере Земли по результатам решения обратной задачи в радиозатменных спутниковых исследованиях во время магнитной бури в июне 2015 г. // Космич. исслед. 2022. Т. 60. № 6. С. 471–478. https://doi.org/10.31857/S0023420622060036Andreev V.E., Gubenko V.N., Kirillovich I.A. GPS L1 signals absorption in high-latitude lower ionosphere during severe geomagnetic storm in June 2015 // J. Physics: Conference Series. 2021. V. 1991. Iss. 1. Art. ID. 012006. https://doi.org/10.1S088/1742-6596/1991/1/012006Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 518 с.Friedrich M., Torkar K.M. Collision frequencies in the high-latitude D-region // J. Atmospheric and Terrestrial Physics. 1983. V. 45. Iss. 4. P. 267–271. https://doi.org/10.1016/S0021-9169(83)80048-8Spencer E., Patra S., Andriyas T. et al. Electron density and electron neutral collision frequency in the ionosphere using plasma impedance probe measurements // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Iss. A9. Art. ID. A09305. https://doi.org/10.1029/2007JA013004Горбунов М.Е. Физические и математические принципы спутникового радиозатменного зондирования атмосферы Земли. М.: ГЕОС, 2019. 290 с.Belrose J.S., Hewitt L.W. Variation of Collision Frequency in the Lowest Ionosphere with Solar Activity // Nature. 1964. V. 202. Art. ID. 4929. P. 267–269.Belrose J.S. The Lover Ionospheric Regions // Physics of the Earth’s Upper Atmosphere / eds. Hines C.O., Paghis I., Hartz T.R., Fejer J.A. Englewood Cliffs: Prentice-Hall Inc., 1965. P. 46–72.Fejer J.A. Motions of Ionization // Physics of the Earth°s Upper Atmosphere / eds. Hines C.O., Paghis I., Hartz T.R., Fejer J.A. Englewood Cliffs: Prentice-Hall Inc., 1965. P. 157–175.Gokov A.M., Tyrnov O.F. Modeling of the electron-molecule collision frequency variations in the undisturbed midlatitude D-region on the experimental basis // 24th Intern. Crimean Conf. “Microwave and Telecommunication Technology 2014” (CriMiCo’2014). P. 1099–1100.Beharrell M., Honary F. A new method for deducing the effective collision frequency profile in the D-region // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Iss. A05. Art. ID. A05303. https://doi.org/10.1029/2007JA012650