Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 4, стр. 480-490

1. ВВЕДЕНИЕ

Слой E-спорадический (E_S) – уникальное явление в земной ионосфере. В отличие от регулярных слоев, в образовании которых основную роль играют фотохимические процессы, слой E_S обязан своим существованием (по крайней мере, в средних широтах) в первую очередь процессам динамическим [1, 2]. Это обстоятельство делает его измеряемые характеристики своего рода индикаторами динамических процессов в нижней термосфере. Малая толщина слоя E_S (от нескольких сот метров до двух километров) обеспечивает хорошее вертикальное разрешение при исследовании мелкомасштабных динамических процессов, а возможность точно определять высоту слоя по его действующей высоте, hꞌE_S (при условии достаточно большой разности критических частот слоев E_S и регулярного E, например, в ночное время), дает высотную привязку изучаемого явления.

Поэтому неудивительно, что анализ временных вариаций hꞌE_S изначально применялся и применяется для поиска эффектов вертикального распространения внутренних гравитационных и планетарных волн (ПВ) от источников на земной поверхности и в нижней атмосфере в нижнюю термосферу и выше. Так, например, в [3–5] во временных рядах hꞌE_S и f_OE_S (критической частоты слоя E_S) среднеширотных станций Иркутск (СССР) в 1984–1986 гг., Tehran (Иран) в июле 2006 г.–июне 2007 г., Rome и Gibilmanna (Италия) в июне–сентябре 2013 года были обнаружены вариации с периодами, свойственными ПВ в тропосфере и нижней стратосфере. В [6] временные ряды hꞌE_S и f_OE_S, полученные на станции Pruhonice (Чехия) в летние сезоны 2004, 2006 и 2008 гг., сопоставлялись с временными рядами температуры нейтральной атмосферы на барическом уровне 10 hPa. Обнаружены когерентные ограниченные волнообразные всплески в спектрах с периодами, близкими периодам волн Россби. Такого рода когерентные всплески были также обнаружены в летних данных hꞌE_S и f_OE_S 2009 года, полученных на станции Pruhonice, и, одновременно, во временных рядах измерений мезосферного ветра в Collm (Германия) и температуры на уровнях давления 10–0.1 hPa [7].

Естественно ожидать, что характер (и сама возможность) вертикального распространения волн зависит от физических свойств среды распространения, – конкретно, от свойств стратосферы и мезосферы. В [8] теоретически предсказана критическая зависимость возможности распространения от направления и величины скорости зонального ветра в стратомезосфере. Согласно расчетам, при летних ветрах, направленных с востока на запад, условия распространения ПВ в вертикальном направлении неблагоприятны – вплоть до блокировки волн в нижней атмосфере. Зимой при относительно умеренных западных ветрах можно ожидать проникновение ПВ в нижнюю термосферу и, возможно, выше.

Это обстоятельство позволило сформулировать задачу поиска сезонных особенностей в вариациях hꞌE_S и их связи с сезонными перестройками зональной циркуляции в среднеширотной стратомезосфере Северного полушария. Ниже приводятся результаты проведенного исследования. В качестве ионосферных данных использовались результаты вертикального зондирования ионосферы на станции Poitiers (46°6 с.ш.; 0°3 в.д.), Франция. Вертикальные профили скорости зонального ветра были получены из данных метеорологического ракетного зондирования на станции ракетного зондирования атмосферы (СРЗА) Волгоград (48°68 с.ш.; 44°35 в.д.).

2. АНАЛИЗ ИОНОСФЕРНЫХ ДАННЫХ

Хотя качество ионограмм позволяет определить значения действующей высоты слоя Е-спорадического с точностью не хуже 1–2 км, действующее руководство по обработке ионограмм, разработанное Международным научным радиосоюзом [9] допускает регистрацию значений hꞌE_S с точностью 5 км. Видимо, этим обстоятельством объясняется тот факт, что поиск высокоточных данных по hꞌE_S среди среднеширотных ионосферных станций северного полушария в архивах Мировых центров данных (МЦД) позволил обнаружить только один, сравнительно небольшой длительности, временной ряд данных по hꞌE_S, записанных с точностью 1 км [10]. Это результаты наблюдений на станции Poitiers (Франция) в течение 1984–1989 гг. (Можно отметить, что наблюдения на станции Poitiers проводились с 1957 года, но только в 1984–1989 гг. значения hꞌEs снимались с точностью 1 км. После 1989 года данные этой станции перестали поступать в МЦД). Удачным совпадением является тот факт, что в эти же годы на расположенной на близкой по значению широте СРЗА Волгоград проводилось регулярное (не реже одного пуска в неделю) зондирование средней атмосферы метеорологическими ракетами.

На рис. 1 в качестве примера приведен временной ряд hꞌE_S для 1988 года. Хотя формат архивных файлов предусматривает хранение ежечасных значений ионосферных данных, вследствие природной нерегулярности появления слоя E_S в данном году получено только 3905 значений. Как и ряды других лет наблюдений, ряд 1988 года производит впечатление сильной “зашумленности”, сквозь которую можно различить наличие, предположительно, годовой вариации. Сказать что-либо о свойствах “шума” по этому рисунку не представляется возможным.

Рис. 1.

Временной ряд ежечасных значений h’E_S на ионосферной станции Poitiers (46°6 с.ш., 0°3 в.д.) в 1988 году.

Для более углубленного анализа временные ряды hꞌE_S для каждого года наблюдений были разложены в ряды Фурье на годовом основном интервале. Здесь следует отметить, что снятые с ионограмм данные представляют собой дискретный временной ряд. Даже если наблюдения проводились непрерывно и данные представлены с постоянным шагом по времени, интегрирование по времени такого ряда (например, при Фурье-анализе) требует определенных представлений о ходе подынтегральной функции между последовательными точками. Подынегральная функция может аппроксимироваться ступенчатой функцией, кусочно-линейной, кусочно-полиномиальной и др. В настоящей работе используется кусочно-линейная подынтегральная функция. Именно она представлена на рис. 1. Очевидно, что значимых разрывов в ней (как и во временных рядах других лет) нет. Но поскольку слой E_S сам по себе – явление именно спорадическое, возможно его отсутствие в ионосфере в течение относительно небольших интервалов времени. Представление о частоте появлений E_S над станцией Poitiers дает тот факт, что в каждом исследуемом годовом интервале содержится не менее четырех тысяч значений hꞌEs. Кусочно-линейный характер аппроксимирующей функции, по сути дела, обеспечивает линейную интерполяцию отсутствующих ежечасных данных и, тем самым, выравнивание шагов по времени.

На рис. 2 в качестве примера приведен Фурье-спектр для 1988 года. Это типичный спектр, имеющий общие черты со спектрами других лет наблюдений. Резко выделяется группа линий с 1-ой по 5-ую гармонику, обязанная своим существованием годовому и, возможно, более длительным циклам вариаций hꞌE_S. Хорошо выражена суточная гармоника. На частотах меньше суточной, но больше частот годовой группы на фоне “красного” шума выделяются своими амплитудами гармоники и группы гармоник с периодами от единиц до десятков суток. Сам по себе Фурье-анализ об их природе сказать ничего не позволяет. Однако можно предположить, что эти вариации hꞌE_S являются проявлением волн Россби, которые, при определенных условиях в средней атмосфере, могут распространяться вверх от источников, находящихся на земной поверхности и в нижней атмосфере. Чтобы проверить это предположение, полезно сначала в каждом годовом Фурье-спектре выделить ту область частот, которые соответствуют известным периодам планетарных волн, наблюдающихся в атмосфере Земли. В данной работе была выбрана область с периодами 2–30 суток (с 12-ой по 183-ью гармоники). Этот выбор позволяет отстроиться от “высокочастотного шума”, каковым будут считаться вариации с суточным и меньшими периодами, и исключить искажающее влияние годовой вариации и возможного тренда.

Рис. 2.

Спектр Фурье-разложения временного ряда ежечасных значений hꞌE_S по данным ионосферной станции Poitiers в 1988 году.

На рис. 3 представлена сумма гармоник 12–183 для 1988 года, которая далее будет именоваться среднечастотной вариацией hꞌE_S. Оказывается, эта среднечастотная вариация обладает сезонной зависимостью: летом амплитуда заметно меньше, чем зимой. Что поддерживает предположение об обусловленности колебаний волнами Россби. Примерно такая же картина имеет место и в другие годы наблюдений. Причем смена внутри-сезонных режимов происходит в сравнительно короткие сроки, хотя визуально определить моменты переходов довольно сложно.

Рис. 3.

Среднечастотная вариация hꞌE_S (сумма гармоник Фурье-разложения с 12-ой по 183-ью) для станции Poitiers по данным 1988 года.

Задача определения моментов смены сезонных режимов решалась с помощью математической статистики следующим образом. Сначала из временного ряда на рис. 3 создавался ряд абсолютных значений его членов – рис. 4. Затем полученный ряд аппроксимировался ступенчатой функцией, три ступени которой соответствовали, последовательно, зимне-весеннему, летнему и осенне-зимнему режимам среднечастотной вариации hꞌE_S, а моменты перехода со ступени на ступень интерпретировались, как моменты смены сезонов. Пять статистик – высоты трех ступеней и два момента смены режимов – определялись одновременно с помощью метода наименьших квадратов минимизацией дисперсии ряда абсолютных значений вариации относительно аппроксимирующей функции. Алгоритм решения заключался в полном переборе всех возможных моментов смены внутри-сезонных режимов вариаций hꞌEs с соблюдением порядка следования весенней и осенней смен в течение года с шагом в одни сутки. На каждом шаге, как для весеннего момента, так и для осеннего момента вычислялись и запоминались средние значения модулей hꞌEs для трех сезонов (зимне-весеннего, летнего и осенне-зимнего). Сразу же вычислялась и запоминалась дисперсия модулей hꞌEs относительно образованной таким образом трехступенчатой функции времени. Результатом выполнения всех циклов по времени являлась треугольная матрица с полным набором значений дисперсий для всех допустимых пар моментов времени. Из нее выбирался элемент с минимальным значением. Соответствующие ему (запомненные) моменты времени и величины трех средне-сезонных величин hꞌEs полагались значениями искомых статистик. Описанный алгоритм обеспечивает погрешность определения дат смены режимов внутри-сезонных вариаций hꞌEs в пределах 0.5 суток.

Рис. 4.

Временной ряд абсолютных значений членов ряда, приведенного на рис. 3 и его аппроксимация ступенчатой функцией. Стрелки – временные границы весенней и осенней перестроек циркуляции в стратомезосфере.

Так, из рис. 4 следует, что смены режимов внутрисезонных вариаций в 1988 году произошли 10 апреля и 14 ноября.

Такого рода процедуры были проделаны для временных рядов каждого года. Результаты подтвердили существование двух режимов внутри-сезонных вариаций в диапазоне средних частот: зимнего – с более высокими амплитудами – и летнего – с меньшими амплитудами.

3. СМЕНЫ РЕЖИМОВ ВНУТРИСЕЗОННЫХ ВАРИАЦИЙ hꞌE_S И СЕЗОННЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ЦИРКУЛЯЦИИ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ

В те же годы, в 1984–1989, на станции ракетного зондирования атмосферы Волгоград Центральной аэрологической обсерватории проводилось метеорологическое ракетное зондирование с высотой подъема головных частей до 80 км, с частотой пусков от 72 до 102 в год. Измерялись температура, горизонтальные компоненты скорости ветра, давление и плотность массы. Подробное описание методики ракетных наблюдений можно найти в [11].

На рис. 5 показан пример годового хода сглаженной величины зональной компоненты скорости ветра в 1988 году. Сглаживание проводилось отфильтровыванием среднечастотных и высокочастотных (в том смысле, в каком эти термины употребляются в данной статье) гармоник Фурье-разложения на годовом интервале посредством суммирования только первых трех гармоник на каждой высоте с шагом 1 км.

Рис. 5.

Высотно-временной разрез сглаженных вариаций зональной скорости ветра (м/с) в средней атмосфере над СРЗА Волгоград (48°68 с.ш., 44°35 в.д.) в 1988 году.

Приведенный высотно-временной разрез является типичным для обсуждаемого периода наблюдений. Нулевая изотаха – главный маркер сезонной перестройки – выделена толстой линией. Весной и осенью она вытянута в вертикальном направлении, однако любая сезонная перестройка не одномоментна, на разных высотах переход скорости через нуль происходит в разные моменты, поэтому в данной работе сезонные перестройки характеризуются интервалами времени, в течение которых переход скорости зонального ветра с одного направления на другое происходил на всех высотах.

Стрелки на рис. 4, направленные вниз, как раз и отмечают интервалы сезонных перестроек зональной циркуляции в 1988 году. Интересно отметить, что момент весенней смены внутри-сезонных режимов среднечастотных вариаций hꞌE_S приходится именно на интервал весенней перестройки циркуляции в средней атмосфере. Но осенью смена внутри-сезонных режимов среднечастотных вариаций hꞌE_S произошла на два месяца позже осенней перестройки в стратомезосфере.

На рис. 6 представлена сводка всех исследуемых событий, происходивших в 1984–1989 гг. в средней атмосфере и в области E ионосферы. На рисунке сплошными (ломаными) линиями представлены границы интервалов времени сезонных перестроек зональной циркуляции в стратомезосфере над Волгоградом, ромбиками отмечены моменты смены режимов среднечастотной вариации hꞌE_S весной и осенью над Poitiers.

Рис. 6.

Регулярность и временная последовательность связанных событий в средней атмосфере и в нижней термосфере. Обозначения: непрерывные линии – границы временных интервалов сезонных перестроек циркуляции в стратомезосфере; крестики – дни максимумов в годовом ходе hꞌE_S; кружки – дни минимумов в годовом ходе hꞌE_S; ромбы – дни смены режимов внутри-сезонных вариаций hꞌE_S.

Сразу следует отметить, что замены зимне-весеннего режима среднечастотной вариации hꞌE_S.на летний режим в пяти случаях из шести произошли во время весенних перестроек зональной циркуляции. Только в 1989 году изменение в нижней термосфере опережает перестройку в средней атмосфере. Нетрудно подсчитать, что вероятность случайности пятикратного последовательного попадания событий весенней смены режимов среднечастотной вариации hꞌE_S в интервалы времени весенней перестройки циркуляции в стратомезосфере не превышает 10^–4. Что позволяет уверенно говорить о связи этих двух событий в нижней термосфере и в средней атмосфере.

Смены летнего режима среднечастотной вариации hꞌE_S на осенне-зимний режим не совпадают с интервалами времени осенних перестроек циркуляции. Но обращает на себя внимание систематический характер их запаздывания относительно осенних перестроек в средней атмосфере. Вероятность всем шести «осенним» крестикам случайно оказаться на рис. 6 выше интервалов осенних перестроек циркуляции не превышает 8 × 10^–3.

4. СВЯЗЬ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОДОВОЙ ВАРИАЦИИ hꞌE_S С СЕЗОННЫМИ ПЕРЕСТРОЙКАМИ ЦИРКУЛЯЦИИ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ

Впервые годовой ход hꞌE_S в средних широтах был исследован в [12] по данным ионосферных станций Budapest и Bekescsaba (Венгрия) 1958–1959 и 1964–1965 гг. Были найдены зимний и весенний максимумы hꞌE_S и минимум осенью. Позже в [13] по данным ионосферной станции Juliusruh (Германия) 1969–1973 гг. было подтверждено существование максимума hꞌE_S в апреле или мае и минимума в октябре или ноябре. В этих работах не конкретизируется метод выделения годовой вариации hꞌE_S как полезного сигнала из зашумленных первичных данных наблюдений, но по некоторым признакам можно понять, что использовались значения, усредненные за каждый календарный месяц.

В настоящей работе суммировались первые пять гармоник ежегодных Фурье-разложений данных наблюдений. Эти гармоники, резко отличаясь по амплитуде от среднечастотных и высокочастотных гармоник (кроме суточной гармоники), позволили рассматривать их как гармоническое разложение суммы годовой вариации и, вообще говоря, тренда. Далее в статье сумма выбранных низкочастотных гармоник будет рассматриваться как годовая вариация.

На рис. 7 представлена годовая вариация hꞌE_S над станцией Poitiers в 1988 году. Подтверждены весенний максимум и осенний минимум, обнаруженные ранее в [12, 13]. Хотя амплитуды этих экстремумов могут меняться от года к году, привязка по времени в 1984–1989 гг. сохраняется: апрель-май для максимума и октябрь-ноябрь для минимума. А вот зимний максимум над станцией Poitiers весьма изменчив и по амплитуде, и по времени появления. В разные годы он обнаруживается в разные зимние месяцы с декабря по февраль. Возможно, по этой причине он плохо проявился в результатах [12, 13] – используемое усреднение по календарным месяцам могло сгладить его.

Рис. 7.

Сглаженная годовая вариация hꞌE_S (сумма первых 5 гармоник Фурье-разложения на годовом интервале) для станции Poitiers по данным 1988 года – сплошная линия. Прерывистая линия – ступенчатая функция из рис. 4. Стрелки – временные границы весенней и осенней перестроек циркуляции в стратомезосфере.

На рис. 7 для сопоставления приведены интервалы сезонных перестроек зональной скорости ветра в средней атмосфере над Волгоградом и моменты смены режимов внутри-сезонных вариаций hꞌE_S над Poitiers. И день весеннего максимума годовой вариации, и момент смены режимов внутри-сезонных вариаций hꞌE_S с зимне-весеннего на летний попадают в интервал времени весенней перестройки циркуляции в средней атмосфере. Осенью эти три явления разнесены по времени и следуют в следующем порядке: перестройка циркуляции, минимум годовой вариации hꞌE_S, смена режимов среднечастотной вариации hꞌE_S.

5. ОБСУЖДЕНИЕ

Сводка обсуждаемых в настоящей статье событий в области E ионосфере над Poitiers и в средней атмосфере над Волгоградом в 1984–1989 гг. представлена на рис. 6 в их последовательности по времени.

Наиболее интересный вывод, какой можно сделать из анализа рис. 6, представляется следующим: несмотря на то, что расположение обсуждаемых явлений по времени относительно осенней перестройки циркуляции явно отличается от их расположения относительно весенней перестройки, в годовом ходе поддерживается строгий порядок, повторяющийся из года в год в течение пяти лет. И этот порядок явно указывает на связь явлений в нижней термосфере с сезонными перестройками, протекающими в средней атмосфере. Механизмы этой связи пока неясны. Тем более, пока нет ответа на вопрос: почему так быстро, почти одновременно, рассматриваемые события происходят весной, а осенью растягиваются более чем на два месяца? Почему каждую осень они следуют в одном и том же порядке? Почему осенью отставание момента смены режимов внутри-сезонных вариаций от дня минимума годовой вариации hꞌE_S пять лет подряд имеет близкие значения – от 21 до 28 суток (при среднем значении 24 дня и средне-квадратичной погрешности этого значения 1, 2 суток)?

Возможно. подсказка к ответу на вопрос о различии поведения обсуждаемых характеристик слоя E_S осенью и весной лежит в характере годовой вариации hꞌE_S (рис. 7). Понижение средней высоты образования E_S при переходе от весны к осени более чем на десять километров может изменить динамические [1, 2], химические (связанные с переносом вниз ионов метеорного происхождения) и электродинамические (уменьшение плотности заряженных частиц и влияния ионосферного электрического поля) условия образования слоя и его взаимодействия с планетарными волнами. Эти вопросы требуют проведения дополнительных исследований.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ данных наблюдений действующей высоты слоя E-спорадического в 1984-1989 гг. над станцией Poitiers (46°6 с.ш.; 0°3 в.д.) обнаружил два режима вариаций hꞌE_S с периодами 2–30 суток: зимний, с более высокими амплитудами, и летний с меньшими амплитудами. Причем смена режимов происходит довольно быстро. Разработан метод объективного определения моментов перехода из одного режима в другой.

2. Сопоставление моментов смены режимов среднечастотной вариации hꞌE_S с интервалами дней реверса зональной скорости ветра во всей толще стратомезосферы показало, что весной (в 1984–1988 гг.) они совпадают, а осенью в 1984–1989 гг. смена режимов вариации hꞌE_S систематически запаздывает относительно реверса ветра в средней атмосфере на более чем два месяца.

3. Сопоставление дней весеннего максимума и осеннего минимума в годовом ходе hꞌE_S с интервалами дней перестройки циркуляции в стратомезосфере показало, что максимум годовой вариации hꞌE_S в 1984–1988 гг. приходится на интервал весенней перестройки, а минимум в годовом ходе hꞌE_S в 1984–1989 гг. систематически запаздывает по отношению к осенней перестройке стратомезосферной циркуляции.

4. Интересен обнаруженный факт синфазности межгодовых вариаций моментов минимума hꞌE_S в ее годовой вариации и моментов смены летнего режима внутри-сезонных вариаций hꞌE_S на зимний режим в 1984–1989 гг. Разность по времени между первыми и последними из года в год почти не меняется.

5. Неизменный из года в год порядок следования анализируемых событий внутри годовых циклов – веское свидетельство их связи при ведущей роли сезонных перестроек циркуляции в средней атмосфере.