Общее электронное содержание

Описательная величина ионосферы

График TEC для континентальной части США, сделанный 24.11.2013.

Полное электронное содержание ( TEC ) является важной описательной величиной для ионосферы Земли. TEC — это общее число электронов , интегрированных между двумя точками вдоль трубки с поперечным сечением в один квадратный метр , т.е. столбчатая плотность электронов . Она часто указывается в кратных единицах так называемой единицы TEC , определяемой как TECU=10 ¹⁶ эл/м ² ≈1,66 × 10−8 моль ⋅м ^{−2 .}  [ ^1]

TEC имеет важное значение для определения мерцания , групповых и фазовых задержек радиоволны через среду. Ионосферный TEC характеризуется наблюдением за задержками фазы несущей принимаемых радиосигналов, передаваемых со спутников, расположенных над ионосферой, часто с использованием спутников Глобальной системы позиционирования . TEC сильно зависит от солнечной активности .

Формулировка

TEC зависит от пути. По определению, его можно рассчитать путем интегрирования вдоль пути ds через ионосферу с зависящей от местоположения электронной плотностью n _e (s) :

ТЭК = ${\displaystyle \int n_{e}(s)\,ds}$

Вертикальный ПЭС ( VTEC ) определяется интегрированием электронной плотности по перпендикулярному к земле пути, наклонный ПЭС ( STEC ) получается интегрированием по любому прямолинейному пути.

Задержка распространения

В первом порядке, эффект распространения ионосферного радио пропорционален ПЭС и обратно пропорционален радиочастоте f . Ионосферная фазовая задержка по сравнению с распространением в вакууме имеет вид: ^{[2] : ур. (9.41)}

${\displaystyle \tau _{p}^{\mathrm {iono} }=-\kappa {\frac {\mathrm {TEC} }{f^{2}}}}$

в то время как ионосферная групповая задержка имеет ту же величину, но противоположный знак:

${\displaystyle \tau _{g}^{\mathrm {iono} }=-\tau _{p}^{\mathrm {iono} }}$

Ионосферная задержка обычно выражается в единицах длины (метрах), предполагая длительность задержки (в секундах), умноженную на скорость света в вакууме (в м/с). Константа пропорциональности κ имеет вид: ^{[2] : ур. (9.21), (9.20), (9.19), (9.14)  [3]}

${\displaystyle \kappa =q^{2}/(8\pi ^{2}m_{e}\epsilon _{0})=c^{2}r_{e}/(2\pi )}$

где q , m _e , r _e — заряд электрона , масса и радиус соответственно; c — скорость света в вакууме , а ϵ ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума . Значение константы приблизительно равно κ ≈ 40,308193 м ³ · с ⁻² ; ^{[4] [5]} единицы измерения могут быть эквивалентно выражены как м · м ² · Гц ^{2 ,} чтобы подчеркнуть сокращение, связанное с получением задержек τ в метрах, учитывая f в Гц и TEC в м ⁻² .

Типичные дневные значения TEC выражаются в шкале от 0 до 100 единиц TEC. Однако очень небольшие вариации в 0,1-0,5 единиц TEC также могут быть извлечены при условии относительно постоянных отклонений наблюдений . ^[6] Эти небольшие вариации TEC связаны со среднемасштабными перемещающимися ионосферными возмущениями (MSTID). ^[7] Эти ионосферные возмущения в основном генерируются гравитационными волнами, распространяющимися вверх из нижних слоев атмосферы . ^[8]

Ссылки

1. Б. Хофманн-Велленхоф; Х. Лихтенеггер и Дж. Коллинз (2001). Глобальная система позиционирования: теория и практика . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-3-211-83534-0.
2. "9" (PDF) , Техническое примечание IERS № 36
3. Хаген, Джон Б. (2009-06-11). Радиочастотная электроника: схемы и приложения. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88974-2.
4. "Результаты поиска". www.google.com . ^{[ нужен лучший источник ]}
5. "Результаты поиска". www.google.com . ^{[ нужен лучший источник ]}
6. Ван де Камп, М.; Похотеловы, Д.; Кауристи, К. (2014-12-17). «Охарактеризованы TID с использованием совместных усилий радара некогерентного рассеяния и GPS». Annales Geophysicae . 32 (12): 1511–1532. Bibcode : 2014AnGeo..32.1511V. doi : 10.5194/angeo-32-1511-2014 .
7. Tsugawa, T.; Otsuka, Y.; Coster, AJ; Saito, A. (2007-11-22). "Среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения, обнаруженные с помощью плотных и широких карт TEC над Северной Америкой". Geophysical Research Letters . Том 34, № 22. doi :10.1029/2007GL031663 . Получено 2023-01-23 .
8. Гюнцкофер, Ф.; Похотелов, Д.; Стобер, Г.; Манн, И.; Вадас, С.Л.; Беккер, Э.; и др. (2023-10-18). «Вывод нейтральных ветров в области ионосферного перехода из наблюдений за возмущениями атмосферной гравитационной волны, перемещающимися в ионосфере (AGW-TID), с помощью радара EISCAT VHF и Nordic Meteor Radar Cluster». Annales Geophysicae . 41 (2): 409–428. doi : 10.5194/angeo-41-409-2023 .