1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 59, № 2, 2023

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023, T. 59, № 2, стр. 245-248

Статистическое исследование широтного ионосферного отклика на кольцевое солнечное затмение 21 июня 2020 года с использованием вейвлет-преобразования

Девбрат Пундхир a, *, Бирбал Сингх b, **, Раджпал Сингх c, ***

a Лаборатория сейсмоэлектромагнитных и космических исследований (SESRL), факультет физики, Инженерно-технический кампус им. Раджа Балвант Сингха
283105 Агра, Бичпури, Индия

b Лаборатория сейсмоэлектромагнитных и космических исследований (SESRL), факультет электроники и связи, инженерно-технический кампус им. Раджа Балвант Сингха
283105 Агра, Бичпури, Индия

c Кафедра физики, Университет GLA
281406 Матхура, Индия

* E-mail: devbratpundhir@gmail.com
** E-mail: bbsagra@gmail.com
*** E-mail: rp.singh@gla.ac.in

Поступила в редакцию 14.05.2022
После доработки 24.07.2022
Принята к публикации 11.08.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Ионосфера – это очень сложная и изменчивая часть атмосферы, находящаяся под воздействием солнечной активности. Солнечное затмение является одним из явлений, которое оказывает большое влияние на ионосферу. В данном исследовании мы проанализировали данные по общему содержанию электронов (ОСЭ) за период времени 07–21 июня 2020 года на 11-ти станциях IGS-TEC (включая одну GPS станцию Аgra), в том числе-соответствующие солнечному затмению 21 июня 2020 года. Вариации OCЭ относительно средних значений OCЭ показали более низкие значения в день затмения по сравнению с другими днями, за исключением некоторых станций, таких как Agra (≈2 TECU1), BHR4 (≈1 TECU), IISC (≈0.5 TECU), которые показали повышенные вариации ОСЭ. Эти данные анализировались с помощью методов вейвлет-преобразования, таких как непрерывное вейвлет-преобразование (CWTs) и вейвлет-разложение на среднее значение, сумму и произведение данных ОСЭ по 11 станциям за период с 9:30 утра до 3:30 вечера в день затмения. Полученные результаты очень хорошо согласуются с нашими статистическими данными и наилучшим образом характеризуют вариации ОСЭ во время солнечного затмения. Вейвлет-разложение вариаций ОСЭ показало, что они подвержены глобальному влиянию солнечного затмения. Эти вариации интерпретируются с точки зрения механизмов их возникновения, имеющихся в литературе.

Ключевые слова: солнечное затмение, ионосфера, GPS, IGS, ОСЭ, вэйвлет–преобразование

ВВЕДЕНИЕ

Ионосфера – это сложная и очень изменчивая область атмосферы, на которую влияет даже незначительное изменение любого из ее параметров (Pundhir et al., 2017). Солнечное затмение является одним из важных солнечно-земных событий, которое напрямую воздействует на ионосферу Земли, в результате чего может нарушаться система радиосвязи (Paul et al., 2011; Vyas and Sunda, 2012). Солнечное затмение происходит, когда Луна находится между Солнцем и Землей, блокируя солнечное излучение и формируя тень на поверхности земли. Влияние солнечного затмения может наблюдаться в ионосфере на разных географических широтах и долготах, и проявляться в геомагнитной активности, в периодах солнечной активности и т.д. (Le et al., 2009; Dang et al., 2018).

Первый отчет об ионосферном исследовании солнечного затмения был представлен в начале 20-го века (Burton and Boardman, 1933). Позже, многочисленные исследователи изучали ионосферный отклик солнечного затмения с помощью GPS и спутниковых измерений (Ledig et al., 1946; Munro, and Heisler, 1958; Jakowski et al., 2008; Ding et al., 2010; Haridas and Manju, 2012; Huba, and Drob, 2017; Stankov et al., 2017; Cherniak and Zakharenkova, 2018; Dear et al., 2020; Nelli et al., 2020). Эти исследования указывали на уменьшение электронной концентрации при солнечном затмении, что происходило, возможно, из-за резкого уменьшения потока ультрафиолетовой солнечной радиации. Кроме того, было исследовано влияние кольцевого солнечного затмения 26 декабря 2019 года на метеорологические параметры и температуру поверхности земли и обнаружено значительное влияние затмения на юго-восточную часть Аравийского полуострова (Nelli et al., 2020).

Исследователи также изучали реакцию ионосферы на солнечное затмение, используя различные методы численного моделирования (Boitman et al., 1999; Le et al., 2008; Huba, and Drob, 2017). Для анализа ионосферных данных общего содержания электронов (ОСЭ) использовались разные методы, с помощью которых были получены важные результаты (Le et al., 2009; Stankov et al., 2017; Cherniak and Zakharenkova, 2018; Dear et al., 2020; Nelli et al., 2020). Недавно было сообщено о влиянии солнечного затмения 21 июня 2020 года на вариации ОСЭ в ионосфере. Используя плотную сеть приемников глобальной навигационной спутниковой системы на ∼2000 площадок в Северной Америке, Чжан и др. (2017) исследовали влияние солнечного затмения 21 августа 2017 г. на генерацию ионосферных “носовых” волн, подобных по форме корабельным волнам, исходящих от носовой части корабля. Они обнаружили крупномасштабные ионосферные возмущения, вызванные полным солнечным затмением и движущиеся со сверхзвуковой скоростью. Эти возмущения распространялись слишком быстро по сравнению с известными внутренними гравитационными волнами или другими крупномасштабными процессами в атмосфере.

В работе (Srigutomo et al., 2019) исследовалось влияние полного солнечного затмения 9 марта 2016 года в регионе Юго-Восточной Азии и Тихого океана на значения ОСЭ, зарегистрированные на 40 низкоширотных GPS-станциях в Индонезии. Было обнаружено снижение этих значений, прямо пропорциональное величине затемнения при солнечном затмении. Совсем недавно Дир и др. (2020) исследовали ионосферные эффекты того же затмения 9 марта 2016 года, используя данные о значениях ОСЭ и критической частоты foF2 ионосферного F2 слоя. Они обнаружили значительное уменьшение этих значений. Однако, строгое исследование влияния солнечного затмения на ионосферу на основе данных сразу нескольких станций и статистического анализа этих данных еще не проводилось.

В данной работе впервые проведен анализ данных по ОСЭ на 11-ти станциях IGS, включая GPS станцию Agra, соответствующих кольцевому солнечному затмению 21 июня 2020 г. за период 07–21 июня 2020 года. При этом использовались хорошо известные статистические методы, а также вейвлет-методы, такие как вейвлет-преобразование, вейвлет-разложение сигнала и т.д., чтобы выделить нелинейные особенности данных ОСЭ, которые характеризуют их влияние на широтную изменчивость ионосферы. Это солнечное затмение было впервые замечено в Конго в Африке и прошло через Южный Судан, Эфиопию, Йемен, Оман, Саудовскую Аравию, Индийский океан и Пакистан, после чего вошло в Индию над Раджастаном, а затем переместилось в Тибет, Китай, Тайвань, после чего закончилось в середине Тихого океана. Для изучения влияния этого солнечного затмения, станции ОСЭ были выбраны таким образом, чтобы большинство из них лежали на траектории движения затмения. Также были исследованы параметры солнечной активности (F10.7 см и число солнечных пятен) и геомагнитной активности (∑Kp и Dst индексы), затемнение при солнечном затмении и его величина.

Это отрывок статьи “Statistical and wavelet transform-based study of the latitudinal ionospheric response to an annular solar eclipse on 21 June 2020”, полный текст которой опубликован в “Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics”, 2022, Vol 58. No 6. P. 625–634. DOI: 10.1134/S0001433822060196.

Список литературы

  1. Adeniyi J.O., Radicella S.M., Adimula I.A., Willoughby A.A., Oladipo O.A., and Olawepo O. Signature of the 29 March 2006 eclipse on the ionosphere over an equatorial station, J. of Geophys Res., 2007, V. 112.

  2. Appleton E.V. Two Anomalies in the Ionosphere. Nature, 1946, V. 157. P. 691–691. https://doi.org/10.1038/157691a0

  3. Boitman O.N., Kalikhman A.D., and Tashchilin A.V. The mid-latitude ionosphere during the total solar eclipse of March 9, 1997, J. Geophys. Res., 1999, V. 104. P. 28197–28206.

  4. Burton E.T., and Boardman E.M. Effects of Solar Eclipse on Audio Frequency Atmospherics, Nature, 1933, V. 131. № 3299. P. 81–82. https://doi.org/10.1038/131081a0

  5. Chen A.-H., Yu S.-B., Xu J.-S. Ionospheric response to a total solar eclipse deduced by the GPS Beacon observations, Wuhan University J. Nat. Sci., 1999, V. 4. № 4. P. 439–444.

  6. Cherniak I., and Zakharenkova I. Ionospheric Total Electron Content Response to the Great American Solar Eclipse of 21 August 2017, Geophys. Res. Lett., 2018, V. 45, P. 1199–1208.

  7. Chimonas G., and Hines C.O. Atmospheric gravity waves induced by a solar Eclipse. J. Geophys. Res., 1970. V. 75. P. 857–875.

  8. Coster A.J., Goncharenko L., Zhang S., Erickson P.J., Rideout W., & Vierinen J., GNSS observations of ionospheric variations during the 21 August 2017 solar eclipse. Geophys. Res. Lett., 2017, V. 17. P. 349–352.

  9. Chu Y.H., Brahmanandam P.S. Wang C.Y. and Su C.L. Co-ordinated observations of sporadic E using Chung-Li 30 MHz radar, ionosonde and FORMOSAT 3/COSMIC satellites. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 2010, V. 73. P. 883–894.

  10. Dang T., Le J., Wang W., Zhang B., Burns A., Le H., Wu Q., Ruan H., Dou X., and Wan W. Global Responses of the Coupled Thermosphere and Ionosphere System to the August 2017 Great American Solar Eclipse, J. Geophys. Res.: Space Phys., 2018. V. 123, № 8, P. 7040–7050.

  11. Dang T., Lei J.H., Wang W.B., Yan M.D., Ren D.X., and Huang F.Q., Prediction of the thermospheric and ionospheric responses to the 21 June 2020 annular solar eclipse, Earth and Planetary Physics, 2020, V. 4. P. 231–237.

  12. Davis M.J., and Da Rosa A.V. Possible Detection of Atmospheric Gravity Waves generated by the Solar Eclipse, Nature, 1970, V. 226. P. 1123.

  13. Dear V., Husin A., Anggarani S., Harjosuwito J., and Pradipta R. Ionospheric effects during the total solar eclipse over Southeast Asia-Pacific on 9 March 2016: Part 1. Vertical movement of plasma layer and reduction in electron plasma density, J. Geophys. Res.: Space Phys., 2020, V. 125.

  14. Ding F., Wan W., Ning B., Liu L., Le H., Xu G., Wang M., Li G., Chen Y., Ren Z., Xiong B., Hu L., Yue X., Zhao B., Li F., and Yang M., GPS TEC response to the 22 July 2009 total solar eclipse in East Asia, J. Geophys. Res., 2010, V. 115. P.1–8.

  15. Fritts D.C., and Luo Z. Gravity wave forcing in the middle atmosphere due to reduced ozone heating during a solar eclipse. J. Geophys. Res., 1993, V. 98. P. 3011–3021.

  16. Grossman A., and Morlet J. Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape, SIA-M J. Math. Anal., 1984, V. 15. № 4. P. 726–736.

  17. Haridas M.K.M., and Manju G. On the response of the ionospheric F region over Indian low-latitude station Gadanki to the annular solar eclipse of 15 January 2010, J. Geophys. Res., 2012, V. 117. A01302. P. 1—7. https://doi.org/10.1029/2011JA016695

  18. He L., Wu L., Pulinets S., Liu S., and Yang F. A nonlinear background removal method for seismo-ionospheric anomaly analysis under a complex solar activity scenario: A case study of the M9.0 Tohoku earthquake, Adv. Space Res., 2012, V. 50. P. 211–220.

  19. Hilton M.L. 1997.Wavelet and wavelet packet compression of electrocardiograms, IEEE T. Bio-Med Eng. 44(5), 394–402.

  20. Huba J.D., and Drob D. SAMI3 prediction of the impact of the 21 August 2017 total solar eclipse on the ionosphere/plasmasphere system, Geophys. Res. Lett., 2017, V. 44. P. 5928–5935.

  21. Jakowski N., Stankov S.M., Wilken V., Borries C., Altadill D., Chum J., Buresova D., Boska J., Sauli P., Hruska F., and Cander Lj R., Ionospheric behavior over Europe during the solar eclipse of 3 October 2005, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 2008, V. 70. № 6. P. 836—853. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.02.016

  22. Jonah O.F., Goncharenko L., Erickson P.J., Zhang S., Coster A., Chau J.L, Paula E.R. de, Rideout W. Anomalous behavior of the equatorial ionization anomaly during the July 2, 2019 solar eclipse, J. Geophys. Res., 2020, V. 125. P. 1–12.

  23. Kelley M.C., Fejer B.G., Gonzales C.A. An explanation for anomalous equatorial ionospheric electric fields associated with a northward turning of the interplanetary magnetic field, J. Geophy. Res., 1979, V. 6(4), P. 301–304.

  24. Kumar S., and Singh A.K. Changes in total electron content (TEC) during the annular solar eclipse of 15 January 2010, Adv. Space Res., 2012, V. 49. P. 75–82.

  25. Kumar S., Singh A.K. and Singh R.P. Ionospheric response to total solar eclipse of 22 July 2009 in different Indian regions, Annales Geophysicae, 2013, V. 31. № 9, P. 1549–1558.

  26. Le H., Liu L., Yue X., Wan W., and Ning B., Latitudinal dependence of the ionospheric response to solar eclipses, J. Geophys. Res., 2009, V. 114. A07308, 2009. https://doi.org/10.1029/2009JA014072

  27. Le H., Liu L., Yue X., and Wan W. The midlatitude F2 layer during solar eclipses: Observations and modeling, J. Geophys. Res., 2008, V. 113. A08309.

  28. Ledig P.G., Jones M.W., Giesecke A.A., and Chernosky E.J. Effects on the ionosphere at, Peru, of the solar eclipse, January 25, 1944, Terr. Magn. Atmos. Electr., 1946, V. 51. № 3. P. 411—418. https://doi.org/10.1029/TE051i003p00411

  29. Mallat S. Zero-crossings of a wavelet transform, IEEE Transactions on Information Theory, 1991, V. 37. P. 1019–1033.

  30. Munro G.H., and Heisler L.H. Ionospheric records of solar eclipses, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 1958, V. 12. № 1. P. 57—67. https://doi.org/10.1016/0021-9169(58)90008-4

  31. Nelli N.R., Temimi M., Fonseca R., Francis D., Nesterov O., Abida R., Weston M., and Kumar A. Anatomy of the Annular Solar Eclipse of 26 December 2019 and Its Impact on Land–Atmosphere Interactions Over an Arid Region, IEEE Geosci. & Remote Sensing Lett., 2020, P. 1–5. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.3003084

  32. Paul A., Das T., Ray S., Das A., Bhowmick D., and DasGupta A. Response of the equatorial ionosphere to the total solar eclipse of 22 July 2009 and annular eclipse of 15 January 2010 as observed from a network of stations situated in the Indian longitude sector, Ann. Geophysicae, 2011, V. 29. № 10. P. 1955–1965.

  33. Pundhir D., Singh B., Singh O.P., and Gupta S.K. A morphological study of low latitude ionosphere and its implication in identifying earthquake precursors, J. Ind. Geophys. Union, 2017. V. 21. № 3. P. 214–222.

  34. Srigutomo W., Singarimbun A., Meutia W., Djaja I Gede Putu Fadjar Soerya Muslim B., and Abadi P. Decrease of total electron content during the 9 March 2016 total solar eclipse observed at low latitude stations, Indonesia, Ann. Geophysicae, 2019. https://doi.org/10.5194/angeo-2019-11

  35. Stankov S.M., Bergeot N., Berghmans D., Bolsee D., Bruyninx C. et al., Multi –instrument observations of the solar eclipse on 20 March 2015 and its effects on the ionosphere over Belgium and Europe, J. Space Weather Space Clim., 2017, V. 7. A19. https://doi.org/10.1051/swsc/2017017

  36. Uma G., Brahmanandam P.S., Srinivasu V.K.D., Prasad D.S.V.V.D., Gowtam V.S., Ram T.S., and Chud Y.H. Ionospheric responses to the 21 August 2017 great American solar eclipse – A multi-instrument study, Adv. Space Res., 2019, V. 65(1). P. 74–85.

  37. Vyas B.M., and Sunda S., The solar eclipse and its associated ionospheric TEC variations over Indian stations on January 15, 2010, Adv. in Space Res., 2012, V. 49. P. 546–555.

  38. Zhang S.-R., Erickson P.J., Goncharenko L.P., Coster A.J., Rideout W., and Vierinen J. Ionospheric bow waves and perturbations induced by the21 August 2017 solar eclipse, Geophy. Res. Lett., 2017. V. 44. P. 12 067–12 073.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал