Геомагнетизм и аэрономия, 2023, T. 63, № 2, стр. 147-153

1. ВВЕДЕНИЕ

Годовая асимметрия (годовая аномалия) – это ионосферные явления, в которых глобально усредненная концентрация электронов в январе больше, чем в июле [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006]. Для выделения этой асимметрии используют концентрацию максимума F2-слоя NmF2 по данным сети ионосферных станций [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Mikhailov and Perrone, 2015; Brown et al., 2018], внешнего зондирования ионосферы [Gulyaeva et al., 2014] или по данным радиозатменных измерений на спутниках FORMOSAT-3/COSMIC [Zeng et al., 2008; Sai Gowtam and Tulasi Ram, 2017a]. Кроме того, используют полное электронное содержание ионосферы [Mendillo et al., 2005; Zhao et al., 2007; Gulyaeva et al., 2014] или высотное распределение концентрации электронов в области F ионосферы [Sai Gowtam and Tulasi Ram, 2017b]. В качестве индекса этой асимметрии, например, для NmF2, используют отношение [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Mikhailov and Perrone, 2015]

или относительную амплитуду [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Brown et al., 2018] где NmF2(N + S)_Jan и NmF2(N + S)_July – суммарные (по Северному и Южному полушариям) значения NmF2 в январе и июле в фиксированное местное время. Обычно в этих уравнениях используют средние за месяц или медианы за месяц NmF2 [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Mikhailov and Perrone, 2015; Brown et al., 2018]. Ниже для определенности использован индекс R для медиан NmF2 за месяц. Для оценки величины AI по известному индексу R можно использовать соотношение AI = = (R – 1)/(R + 1).

Для получения индекса R по данным ионосферных станций обычно выбирают несколько пар ионосферных станций для охвата достаточно большого интервала широт, и каждая из этих пар состоит из станций на близких геомагнитных широтах в Южном и Северном полушариях. По данным этих станций последовательно вычисляют локальные индексы R для каждой пары станций и среднее по всем выбранным парам станций значение R. Это среднее значение R и есть глобальный индекс R по данным ионосферных станций. Для получения корректной оценки R обычно требуют, чтобы NmF2 соответствовали фиксированному уровню (или интервалу) солнечной активности. На фазах роста и спада солнечного цикла это требование редко удовлетворяется, поскольку за интервал в половину года (с января по июль) изменения индекса солнечной активности обычно значительны. Поэтому основная доля работ по анализу причин годовой асимметрии в NmF2 была выполнена для периодов продолжительной низкой солнечной активности, когда индексы солнечной активности не сильно различались [Zeng et al., 2008; Mikhailov and Perrone, 2015; Lei et al., 2016; Dang et al., 2017].

Один из путей решения этой проблемы, предложенный нами, связан с использованием достаточно большого массива данных NmF2 для фиксированного местного времени с целью получения эмпирических зависимостей NmF2 от солнечной активности в январе и июле для каждой из пар анализируемых станций [Деминов и Деминова, 2021]. В результате может быть определена зависимость индекса R от солнечной активности для данного часа местного времени. При этом исчезает проблема разных уровней солнечной активности в январе и июле в конкретный год, поскольку в данном случае зависимость R от солнечной активности означает, что индекс R определен для каждого фиксированного значения этой активности.

Предлагаемый метод был реализован на примере получения зависимости индекса R (или индекса AI) от солнечной активности в полдень для конкретной пары ионосферных станций [Деминов и Деминова, 2021]. Продолжение этих исследований для получения зависимости локального индекса R от солнечной активности для всех часов местного времени было главной целью данной работы. Следует отметить, что ранее индекс AI был получен для полуночи и полудня для ряда фиксированных значений среднего уровня солнечной активности [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006]. Поэтому вопрос о получении зависимости индекса R (или AI) от местного времени и солнечной активности по экспериментальным данным оставался в значительной степени открытым.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Для анализа использованы данные медиан foF2 станций Боулдер (Boulder, 40.0° N, 254.7° E, Φ = 48.6° N, Φ* = 49.1° N) и Хобарт (Hobart, 42.9° S, 147.3° E, Φ = 50.9° S, Φ* = 54.3° S) для каждого часа мирового времени для января и июля в интервале 1963–2013 гг. В скобках даны координаты этих станций: географическая широта, географическая долгота, геомагнитная широта Φ и исправленная геомагнитная широта Φ*. Широты Φ и Φ* приведены для 1985 г., что примерно соответствует середине анализируемого интервала времени. Эти широты получены с помощью моделей, приведенных в Интернете (wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/ gggm, omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo). Выбор этой пары станций для анализа локальных свойств годовой асимметрии связан с близостью абсолютных значений как географических, так и геомагнитных широт станций. Следует отметить, что медианы NmF2 данной пары станций совместно с данными других пар станций ранее использовались для анализа глобальных свойств годовой асимметрии [Mikhailov and Perrone, 2015; Brown et al., 2018].

В качестве индикатора солнечной активности для медианы NmF2 за месяц использован индекс F – среднее за 81 день значение потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см, которое центрировано на середину данного месяца [Деминов и Деминова, 2021].

Для определения зависимости медиан NmF2 от солнечной активности для каждой из станций в январе или июле в каждый час мирового времени (UT) использовалось уравнение регрессии

Коэффициенты этого уравнения определялись по массиву данных медиан foF2 за 1963–2013 гг. для выбранных условий. На этот массив были наложены дополнительные условия. В нем были оставлены только случаи, которые удовлетворяли условиям Первое из условий позволяет исключить особенно сильные выбросы foF2, которые могут носить случайный характер. Второе из условий позволяет исключить относительно редко встречающиеся уровни солнечной активности для получения, по возможности, устойчивых тенденций в зависимости концентрации максимума F2-слоя от солнечной активности. Массив данных foF2, полученный с учетом перечисленных условий, был преобразован в массив данных NmF2, поскольку NmF2 = 1.24 × 10¹⁰(foF2)², где NmF2 измеряется в 1/м³, foF2 – в МГц. Этот массив данных NmF2 был исходным для определения коэффициентов уравнения регрессии (3), т.е. получения эмпирической модели зависимости медиан NmF2 от солнечной активности для выбранных условий. Предварительный анализ показал, что в некоторых случаях число измерений N в этом массиве недостаточно для получения значимых зависимостей NmF2. Например, для ст. Хобарт в 14 UT (что примерно соответствует полуночи) для июля число доступных медиан foF2 для интервала 1963–2013 гг. равно 14. Поэтому для получения коэффициентов уравнения регрессии (3) для каждого из выбранных условий (станция, месяц года, мировое время, интервал 1963–2013 гг.) использовались доступные медианы foF2 в данный час, предыдущий и последующий час мирового времени с учетом дополнительных условий (4). В результате число измерений N было увеличено примерно в 3 раза. Для приведенного выше примера (ст. Хобарт в 14 UT для интервала 1963–2013 гг.) N = 47, что в 3.4 раза больше предыдущего варианта.

Некоторые статистические характеристики уравнений регрессии (3) приведены в табл. 1. Из данных в табл. 1 видно, что число измерений N для рассмотренных случаев было достаточно большим и изменялось от 130 до 47. В полдень коэффициент корреляции K местной зимой больше, чем местным летом, из-за более сильной зависимости NmF2 от F местной зимой. В полночь картина противоположная: коэффициент корреляции K местным летом больше, чем местной зимой, из-за более сильной зависимости NmF2 от F местным летом. Из приведенных значений N и K следует, что зависимости (3) значимы для всех рассмотренных случаев при доверительном уровне 99% [Ramachandran and Tsokos, 2009]. Анализ показал, что зависимости (3) значимы и для каждого часа мирового времени в январе и июле (и во все остальные месяцы года) для данных ст. Боулдер и ст. Хобарт.

Уравнения регрессии (3) с известными коэффициентами позволяют по уравнению (1) получить зависимость локального индекса R от местного времени LT для разных уровней солнечной активности для анализируемой пары станций. Результат показан на рис. 1 для низкой (F = 100) и высокой (F = 180) солнечной активности, где дискретные (ежечасные) зависимости R от LT аппроксимированы рядом Фурье четвертой степени для наглядности. Из данных на этом рисунке следует, что в зависимости R от LT преобладает полусуточная мода с максимумами вблизи полудня и полуночи и минимумами утром и вечером. Индекс R для высокой солнечной активности больше, чем для низкой солнечной активности, для интервала 08 < LT < 24. Здесь и ниже местное время приведено в часах. Для интервала 00 < LT < 08 наблюдается противоположная тенденция. Самые низкие значения R = 1 наблюдаются при низкой солнечной активности в узком интервале 19.0–19.5 LT. Годовая асимметрия в медиане NmF2 существует (R > 1) для всех остальных приведенных на рис. 1 случаев. Эта асимметрия максимальна для высокой солнечной активности вблизи полудня (R = 1.37 для LT = 11.5) и полуночи (R = 1.35 для LT = 23.5).

На рисунке 2 показаны зависимости локального индекса годовой асимметрии R от индекса солнечной активности F для фиксированных часов местного времени. Они получены с помощью уравнений регрессии (3) по данным анализируемой пары станций за 1963–2013 гг. Из данных на этом рисунке следует, что в дневные часы индекс R увеличивается с солнечной активностью с общей тенденцией к насыщению этого увеличения при высокой солнечной активности. Индекс R в полдень больше, чем в 10 и 14 LT, для всего интервала изменений индекса F. Следовательно, максимум R вблизи полудня в зависимости R от LT существует при любом уровне солнечной активности (см. рис. 1). Из данных на рисунке 2 следует, что в 00, 02 и 04 LT в зависимости R от F наблюдается максимум, при превышении которого индекс R уменьшается с ростом F. Этот максимум наблюдается для F = 140 в 00 LT и для F = 120 в 02 и 04 LT. Более детальный анализ показал, что такой максимум существует в интервале 23–06 LT. Наблюдаемая на рис. 1 тенденция, когда в интервале 00 < LT < 08 индекс R для F = 180 меньше, чем для F = 100, также связана с максимумом в зависимости R от F. Выше отмечалось, что максимум в зависимости R от LT вблизи полуночи наблюдается для низкой (F = 100) и высокой (F = 180) солнечной активности. Более детальный анализ показал, что максимум в зависимости R от LT в 23–24 LT характерен почти для всего анализируемого интервала изменения индекса солнечной активности (80 < F < 220). Исключение может составлять граница этого интервала (F > 200), для которой данные недостаточно надежны.

На рисунке 3 приведены зависимости медиан NmF2 от солнечной активности, полученные по уравнениям регрессии (3) в полдень и полночь в январе и июле. Эти зависимости позволяют определить дополнительные свойства локального индекса R, поскольку являются элементами этого индекса.

Из данных на этом рисунке можно видеть, что в полдень: а) местным летом концентрации NmF2 почти совпадают для анализируемой пары станций при любом уровне солнечной активности; б) летом зависимость NmF2 от солнечной активности слабее, чем зимой; в) местной зимой концентрация NmF2 для Боулдера больше, чем для Хобарта, при любом уровне солнечной активности, и эта разница увеличивается с ростом солнечной активности. Следовательно, относительно высокие значения индекса R в полдень и увеличение этого индекса с ростом солнечной активности обусловлены в основном тем, что NmF2 в январе в Боулдере больше, чем в июле в Хобарте, и эта разница увеличивается с ростом солнечной активности.

Из данных на рис. 3 можно видеть, что в полночь: а) местной зимой для F < 175 величины NmF2 совпадают для анализируемой пары станций и почти не зависят от солнечной активности; NmF2 в Хобарте становится больше, чем в Боулдере, для F > 175; б) местным летом концентрация NmF2 для Хобарта больше, чем для Боулдера, при любом уровне солнечной активности, и эта разница увеличивается с ростом солнечной активности. Следовательно, относительно высокие значения индекса R в полночь обусловлены в основном тем, что NmF2 в январе в Хобарте больше, чем в июле в Боулдере. Нелинейная зависимость индекса R от F в полночь связана с дополнительным вкладом зимних значений NmF2 в R при высокой солнечной активности. Итак, высокие значения индекса R в полдень и полночь в основном обусловлены относительно высокими значениями NmF2 в январе в Северном полушарии (местной зимой, Боулдер) в полдень и в Южном полушарии (местным летом, Хобарт) в полночь.

3. ОБСУЖДЕНИЕ

Использование уравнения регрессии в виде полинома второй степени (3) для учета зависимости NmF2 от индекса F приводит к зависимости индекса R от F c одним максимумом для всех приведенных на рис. 2 случаев. Дополнительный анализ показал, что увеличение степени полинома в этом уравнении регрессии приводит к более сложной зависимости R от F, но общая картина этой зависимости сохраняется.

В ночные часы изменение NmF2 со временем определяется суммой двух факторов: уменьшением NmF2 после захода Солнца из-за рекомбинации и диффузии и дополнительным увеличением NmF2 из-за диффузионного потока плазмы из плазмосферы [Кринберг и Тащилин, 1984]. Вклад первого фактора увеличивается с ростом солнечной активности, вклад второго фактора почти не зависит от солнечной активности. В полночь местной зимой второй фактор обычно является основным, когда NmF2 почти не зависит от солнечной активности. Исключение составляют периоды очень высокой солнечной активности, когда первый фактор становится заметным и NmF2 увеличивается с ростом солнечной активности (см. рис. 3). В полночь местным летом второй фактор не важен и NmF2 увеличивается с ростом солнечной активности. В полночь NmF2 местным летом больше, чем зимой, и, кроме того, местным летом в январе (в Южном полушарии) больше, чем в июле (в Северном полушарии). В этом заключается годовая асимметрия NmF2 в полночь для анализируемой пары станций. Разный характер зависимости NmF2 от солнечной активности местной зимой и летом приводит к нелинейной зависимости индекса этой асимметрии R от F c максимумом R для F = 140 в полночь (см. рис. 2).

В дневные часы концентрация NmF2 увеличивается с ростом солнечной активности во все сезоны из-за важности ионизационно-рекомбинационные процессов. Местной зимой в полдень увеличение NmF2 c ростом F более значительно, чем местным летом. Кроме того, в полдень NmF2 местной зимой в январе (в Северном полушарии) больше, чем в июле (в Южном полушарии). В этом заключается годовая асимметрия NmF2 в полдень для анализируемой пары станций.

Проблема годовой асимметрии в NmF2 хорошо известна (см., например, [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006]). Учет только разницы в скорости ионизации атмосферы в январе и июле из-за эллиптичности орбиты Земли вокруг Солнца дает R = 1.07 (или AI = 0.034) в полдень. Данные на рис. 1 показывают гораздо более высокие значения этого индекса: R = 1.35–1.37 вблизи полуночи и полудня при высокой солнечной активности. Для полудня на средних широтах этот вывод не противоречит другим результатам анализа NmF2 по данным ионосферных станций [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Brown et al., 2018]. На основе решения обратных задач и моделирования были предложены различные объяснения годовой асимметрии NmF2, в которых отмечалась важная роль фотохимических и динамических процессов в атмосфере [Rishbeth and Müller-Wodarg, 2006; Zeng et al., 2008; Mikhailov and Perrone, 2015; Lei et al., 2016; Dang et al., 2017]. Отмечалось, что эти процессы важны во все часы суток, обеспечивая относительно высокую амплитуду годовой асимметрии в NmF2 в дневные и ночные часы [Dang et al., 2017]. Анализ причин годовой асимметрии в NmF2 выходит за рамки данной работы. Мы стремились получить новые знания о закономерностях этой асимметрии по данным медиан NmF2 анализируемой пары станций. Наиболее важная из этих закономерностей: в изменении индекса R в течение суток преобладает полусуточная мода с максимумами вблизи полудня и полуночи практически независимо от уровня солнечной активности.

Широко известная эмпирическая модель IRI [Bilitza, 2015] позволяет получить индекс годовой асимметрии R для анализируемой пары станций при заданном значении индекса солнечной активности F, поскольку содержит так называемые карты ITU-R для вычисления медианных за месяц значений критической частоты F2-слоя foF2. Эти карты основаны на пионерских работах [Jones and Gallet, 1962, 1965]. Численные коэффициенты карт ITU-R, характеризующие суточные и географические вариации медиан foF2, получены для каждого месяца года и двух уровней солнечной активности: Rz = 0 и Rz = 100, где Rz – относительное число солнечных пятен, центрированное на данный месяц. Связь между foF2 и NmF2 известна, кроме того, в модели IRI есть связь между индексами солнечной активности Rz и F. Это позволяет по модели IRI вычислить индекс годовой асимметрии R для анализируемой пары станций для заданного индекса солнечной активности. Результаты расчетов показали качественное согласие результатов расчетов индекса R по модели IRI c приведенными выше оценками этого индекса: по модели IRI индекс R > 1 во все часы суток. Дневной максимум R по модели IRI занимает интервал 12–16 LT (т.е. гораздо шире, чем по приведенным выше оценкам), ночной максимум R по модели IRI наблюдается не в 23–24 LT, а после полуночи. Эти и другие особенности индекса R по модели IRI требуют специального рассмотрения, что выходит за рамки данной работы.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе данных медиан электронной концентрации максимума F2-слоя NmF2 пары ионосферных станций Боулдер–Хобарт за 1963–2013 гг. проведен анализ зависимости локального индекса годовой асимметрии R от местного времени и солнечной активности, где индекс R – отношение январь/июль суммарной концентрации NmF2 (для этой пары станций) в фиксированное местное время. В качестве индикатора солнечной активности для медианы NmF2 за месяц использован индекс F – среднее за 81 день значение потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см, которое центрировано на середину данного месяца. Получены следующие выводы.

1. В зависимости индекса R от местного времени LT преобладает полусуточная мода с максимумами вблизи полудня и полуночи и минимумами утром и вечером. Индекс R для высокой солнечной активности больше, чем для низкой солнечной активности, в интервале 08 < LT < 24 ч. Для интервала 00 < LT < 08 ч наблюдается противоположная тенденция. Самые низкие значения R = 1 наблюдаются при низкой солнечной активности в узком интервале 19.0–19.5 LT. Годовая асимметрия в медиане NmF2 существует (R > 1) для всех остальных часов местного времени при любом уровне солнечной активности.

2. Вблизи полудня индекс R увеличивается с солнечной активностью с тенденцией к насыщению при высоком уровне этой активности. Вблизи полуночи в зависимости индекса R от F наблюдается максимум для F = 140, при превышении которого R уменьшается с ростом F.

3. Высокие значения индекса R в полдень и полночь в основном обусловлены относительно высокими значениями NmF2 в январе в Северном полушарии (местной зимой, Боулдер) в полдень и в Южном полушарии (местным летом, Хобарт) в полночь.