[论文解读] A LOFAR Observation of Ionospheric Scintillation from Two Simultaneous Travelling Ionospheric Disturbances

R. A. Fallows, Biagio Forte+56 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

GNSS positioning and interference参考文献 15被引用 1

一句话总结

本研究首次利用LOFAR同时观测到由两个不同行进电离层扰动（TIDs）引起的电离层闪烁，检测到F区（200–700 km）和D区（60–70 km）等离子体层的散射。通过延迟-多普勒谱和核心阵列数据的互相关分析，识别出两个速度分量——20–40 m s⁻¹的西北-东南方向和110 m s⁻¹的东北-西南方向——分别与独立的TIDs相关，后者可能由大气重力波驱动。

ABSTRACT

This paper presents the results from one of the first observations of ionospheric scintillation taken using the Low-Frequency Array (LOFAR). The observation was of the strong natural radio source Cas A, taken overnight on 18-19 August 2013, and exhibited moderately strong scattering effects in dynamic spectra of intensity received across an observing bandwidth of 10-80MHz. Delay-Doppler spectra (the 2-D FFT of the dynamic spectrum) from the first hour of observation showed two discrete parabolic arcs, one with a steep curvature and the other shallow, which can be used to provide estimates of the distance to, and velocity of, the scattering plasma. A cross-correlation analysis of data received by the dense array of stations in the LOFAR "core" reveals two different velocities in the scintillation pattern: a primary velocity of ~30m/s with a north-west to south-east direction, associated with the steep parabolic arc and a scattering altitude in the F-region or higher, and a secondary velocity of ~110m/s with a north-east to south-west direction, associated with the shallow arc and a scattering altitude in the D-region. Geomagnetic activity was low in the mid-latitudes at the time, but a weak sub-storm at high latitudes reached its peak at the start of the observation. An analysis of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and ionosonde data from the time reveals a larger-scale travelling ionospheric disturbance (TID), possibly the result of the high-latitude activity, travelling in the north-west to south-east direction, and, simultaneously, a smaller--scale TID travelling in a north-east to south-west direction, which could be associated with atmospheric gravity wave activity. The LOFAR observation shows scattering from both TIDs, at different altitudes and propagating in different directions. To the best of our knowledge this is the first time that such a phenomenon has been reported.

研究动机与目标

• 利用LOFAR在10–80 MHz频段的高时间分辨率、大带宽观测，研究中纬度电离层闪烁。
• 确定单夜LOFAR观测中所见电离层闪烁模式的成因与特征。
• 识别并表征在不同高度和速度下传播的多个TIDs，并将其与闪烁特征关联。
• 评估不稳定性机制（如Perkins不稳定性）在生成导致闪烁的小尺度密度结构中的作用。
• 展示LOFAR在同步多高度电离层监测方面的能力，补充GNSS观测的局限性。

提出的方法

• 在2013年8月18日至19日夜间，对仙后座A进行观测期间，获取LOFAR核心站10–80 MHz频段的动态强度谱。
• 对动态谱应用二维快速傅里叶变换（FFT），生成延迟-多普勒谱，识别出指示电离层等离子体层散射的抛物线形弧。
• 对核心LOFAR站的强度时间序列进行互相关分析，提取闪烁图案的相位速度。
• 利用延迟-多普勒谱中抛物线形弧的曲率与速度，估算散射层高度与传播方向。
• 将LOFAR结果与GNSS及电离层探测仪数据交叉比对，识别大尺度与小尺度TIDs，将其与观测到的闪烁特征关联。
• 将Perkins不稳定性机制作为理论框架，解释由大尺度TID驱动的密度扰动所生成的小尺度结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 LOFAR能否同时检测并分辨来自不同TIDs的多个电离层闪烁源？
• RQ2 两个共存TID的传播速度与方向为何？它们与散射层高度有何关系？
• RQ3 观测到的闪烁特征（如延迟-多普勒谱中的抛物线形弧）如何与GNSS和电离层探测仪数据中的TID特征相关联？
• RQ4 哪些电离层不稳定性机制导致了观测到的闪烁？这些机制在F区与D区等离子体层中如何不同？
• RQ5 LOFAR在多高度、多频段电离层监测方面，其能力在多大程度上超越了GNSS的局限？

主要发现

• LOFAR在延迟-多普勒谱中检测到两条明显不同的抛物线形弧：一条曲率陡峭且可变（F区，200–700 km高度），另一条曲率平缓且稳定（D区，60–70 km高度）。
• 互相关分析揭示出一个主闪烁速度为20–40 m s⁻¹，方向为西北-东南，与F区散射层相关。
• 识别出一个次级闪烁速度为110 m s⁻¹，方向为东北-西南，与D区散射层相关，并在高频段出现一个次级强度峰。
• 与主速度相关的F区TID可能由高纬度地磁活动驱动，沿西北-东南方向传播。
• 与次级速度相关的D区TID可能由大气重力波生成，沿东北-西南方向传播。
• 这是首次报告使用单一仪器同时观测到两个TID在不同高度引起电离层闪烁，具有不同的速度与传播方向。