Ионосфера представляет собой жизненно важную и динамически изменяющуюся область верхней атмосферы Земли, формирующуюся в результате ионизации атмосферных газов под воздействием солнечного излучения, космических лучей, метеорных потоков и магнитосферных возмущений. Её плазменная структура, включающая регулярные слои D (60-90 км), E (90-150 км) и F (300-400 км, с дневным разделением на F1 (160-200 км) и F2 (220-320 км)), играет ключевую роль в процессах распространения радиоволн, определяя фундаментальное значение ионосферы для глобальной радиосвязи и навигации. Помимо периодически наблюдаемых регулярных слоев, в ионосфере существует также спорадический слой E (Es), характеризующийся нерегулярностью появления [1].
Спорадический слой Es - это тонкое, но крайне плотное ионизированное образование, локализованное в области регулярного E-слоя. Его отличительными особенностями являются внезапное появление, быстрое развитие, значительные изменения электронной концентрации и высокая пространственно-временная изменчивость. Несмотря на свой нерегулярный характер, Es слой существенно влияет на распространение радиоволн, изменяя их траектории, вызывая экранирование нижележащих слоев, аномальное поглощение или отражение. Эти процессы могут как способствовать дальней радиосвязи на нехарактерных расстояниях, так и приводить к существенным нарушениям существующих каналов связи. Данное обстоятельство подчеркивает актуальность изучения Es слоя для физики ионосферы [1-2].
Настоящая выпускная квалификационная работа посвящена комплексному исследованию сезонно-суточного распределения критической частоты спорадического слоя E (foEs) ионосферы Земли по данным мировой сети ионосферных станций. В связи с этим, объектом исследования выступает спорадический слой Es ионосферы Земли, а предметом исследования - его критическая частота foEs в контексте пространственно-временных вариаций. Основной целью работы является детальное изучение феноменологии спорадического E-слоя ионосферы Земли, с акцентом на анализ его критической частоты (foEs) в контексте сезонных и суточных вариаций, а также с использованием методов вертикального радиозондирования.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи: провести анализ данных мировой сети ионосферных станций для выявления глобальных и региональных закономерностей в поведении foEs; исследовать сезонные вариации критической частоты спорадического слоя E и их зависимость от географического положения; проанализировать суточные изменения foEs и их связь с зенитным углом Солнца и другими геофизическими параметрами; выявить корреляции 5
между поведением foEs и уровнем солнечной активности; а также оценить влияние спорадического слоя E на распространение радиоволн в различных частотных диапазонах.
Научная новизна работы заключается в систематизации и углублении знаний о глобальном пространственно-временном распределении и вариациях критической частоты foEs. Полученные результаты способствуют более полному пониманию физических механизмов, лежащих в основе формирования, эволюции и деградации спорадического E- слоя, и могут быть использованы для верификации и уточнения существующих теоретических и эмпирических моделей ионосферы. Практическая значимость исследования проявляется в его непосредственной применимости для оптимизации и управления системами радиоволновых коммуникаций. Данные, полученные в ходе работы, могут быть использованы для повышения точности краткосрочного и долгосрочного прогнозирования условий распространения радиоволн в диапазонах, подверженных влиянию спорадического Es слоя. Это включает разработку адаптивных алгоритмов для систем радиосвязи и радиолокации, способных эффективно функционировать в условиях переменчивой ионосферы, а также корректировку и улучшение ионосферных моделей, применяемых в различных геофизических и инженерных приложениях, в том числе для навигационных систем. Таким образом, данная работа вносит существенный вклад в развитие фундаментальных аспектов физики ионосферы, имея важное значение для обеспечения надежности и эффективности современных радиотехнических систем.
В настоящей выпускной квалификационной работе был проведен всесторонний анализ характеристик спорадического слоя E (Es-слоя) и его пространственно-временного распределения. Исследование базировалось на обширном массиве данных, полученных с мировой сети ионосферных станций, что позволило получить глобальную картину поведения данного динамичного ионосферного образования. Полученные результаты значительно углубляют понимание механизмов формирования Es-слоя и его отклика на различные геофизические факторы, демонстрируя сложный и многофакторный характер поведения слоя, зависящий от широты и региональных особенностей.
Анализ сезонно-суточного распределения критической частоты спорадического слоя E (foEs) выявил выраженные зональные особенности. В среднеширотных областях основным результатом стало подтверждение отчетливого летнего максимума критической частоты Es-слоя, фиксируемого преимущественно в период с середины мая по середину июля, с максимумом в интервале с 07:30 до 13:00 местного времени. Эта закономерность объясняется доминирующей ролью вертикального ветрового сдвига, благодаря усилению атмосферных волн в этот период.
В высокоширотных областях максимальные значения foEs также приходятся преимущественно на летние месяцы, охватывающие период с середины апреля по середину августа, с наибольшей повторяемостью слоя в интервале с 07:30 до 19:00 местного времени. Вклад в формирование Es-слоя вносит потенциально усиленный летний ветровой сдвиг, а также возможное влияние высокоширотных геомагнитных возмущений.
В низкоширотных областях, в зимний период (с середины ноября по середину февраля, с максимумом активности с 08:30 до 14:30 местного времени), при общей регистрации слоя с 07:00 до 16:00 зимой и с 08:30 до 15:30 летом. Этот результат обусловлен синергетическим воздействием нескольких факторов, включая специфические особенности атмосферной динамики, способствующие образованию аномально плотных Es-слоев в низких широтах именно в зимний период.
Таким образом, выполненное исследование демонстрирует, что поведение спорадического слоя E не является универсальным и существенно зависит от широты и региональных геофизических особенностей. Выявленный зимний максимум foEs в низкоширотных областях вносит значительный вклад в понимание ионосферных процессов, открывая новые направления для дальнейших исследований влияния магнитных аномалий и метеорной активности на динамику Es-слоя в этих регионах.
