Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 4, стр. 492-500

1. ВВЕДЕНИЕ

Результаты экспериментальных исследований показывают, что активные динамические процессы в нижней атмосфере, такие как-прохождение атмосферных фронтов, развитие метеорологических штормов, струйные течения и т.д., вызывают разнообразные ионосферные эффекты, которые проявляются в возникновении перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), возмущений электрического поля, возникновении оптических эмиссий [Борчевкина и Карпов 2017; Martinis and Manzano, 1999; Sauli and Boska, 2001; Polyakova and Perevalova, 2013; Yiğit et al., 2016; Li et al., 2017]. Физические процессы, реализующие такие связи, до настоящего времени недостаточно изучены. Разнообразие ионосферных эффектов, с одной стороны, усложняет задачи физической интерпретации наблюдаемых явлений, а, с другой стороны, предполагает продолжение исследований, посвященных анализу динамики ионосферы в условиях возмущений.

В теоретических исследованиях связи процессов в нижней атмосфере и ионосфере большое внимание уделяется изучению роли акустико-гравитационных волн (АГВ). Модельные исследования, например [Куницын и др., 2007; Gavrilov and Kshevetskii, 2015; Hickey et al., 2001, 2011], показывают, что возмущения в нижней и средней атмосфере могут служить источниками АГВ, а наблюдаемые изменения состояния верхней атмосферы и ионосферы инициированы распространением АГВ из области возмущения.

Метеорологические штормы можно рассматривать как наиболее частое проявление динамической активности в нижней атмосфере и важный источник генерации АГВ. Естественно полагать, что метеорологическое возмущение, проходящее над отдельными регионами, является частью более крупного метеорологического процесса, пространственно-временны́е масштабы которого будут определять характеристики возбуждаемых волн, и соответствующие особенности ионосферных возмущений.

Развитие современных технологий спутниковых и наземных наблюдений позволяет исследовать вариации параметров атмосферы и ионосферы с повышенной точностью, пространственным и временны́м разрешением. Анализ таких наблюдений позволит оценить справедливость гипотезы о связи ионосферных неоднородностей, возникающих в периоды метеорологических штормов, с процессами распространения АГВ.

В настоящей работе представлены результаты анализа локальных и региональных наблюдений атмосферных и ионосферных параметров в период развития метеорологического возмущения в декабре 2010 г. в восточноевропейском регионе.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

В работе рассмотрены результаты наблюдений атмосферных и ионосферных параметров, выполненных на ст. Калининград (54° N, 20° E) в период 28 ноября–12 декабря 2010 г. Методика оценки изменения состояния атмосферы и ионосферы основывается на сравнении результатов наблюдений в течение продолжительного периода, включающего несколько дней, предшествующих метеорологическому шторму, непосредственно период шторма и несколько дней после него [Борчевкина и Карпов, 2017].

Геомагнитная обстановка с 27 ноября по 12 декабря 2010 г. представлена на рис. 1. Как видно, рассматриваемый период характеризуется спокойными условиями. Kp-индекс большую часть времени не превышал 2, Dst-индекс, описывающий буревую активность, варьировался в пределах от –20 до 20 нТл. Незначительные суббури наблюдались 27 ноября (Kp > 4, AE > 600 нТл), а также 8 и 12–13 декабря 2010 г. (Kp = 3, AE ≈ 400 нТл). Отметим, что 10–11 декабря 2010 г., когда развитие метеорологического шторма в Калининграде достигло своего максимума, геомагнитная обстановка оставалась спокойной.

Рис. 1.

Вариации Kp-индекса, Dst-индекса (нТл) и AE-индекса (нТл) 27 ноября–13 декабря 2010 г.

Для анализа атмосферных параметров метеорологического возмущения рассматривались вариации приземного атмосферного давления и скорости порывов ветра по наблюдениям на метеорологической ст. Калининград. Данные о локальном изменении атмосферных параметров взяты с сайта http://www.rp5.ru/.

На рисунке 2 показаны суточные вариации амплитуды порывов ветра (метеорологический параметр ff3, рис. 3а) и приземного атмосферного давления (рис. 3б) по наблюдениям в Калининграде в период с 28 ноября по 13 декабря 2010 г. Как видно из рис. 2, с конца ноября до 2 декабря 2010 г. наблюдался рост давления, с последующим понижением до 12 декабря 2010 г. Максимальные понижения атмосферного давления отмечались 9–12 декабря 2010 г. и достигали ~25 мм рт. ст. Штормовые условия над Калининградом отмечались 29–30 ноября, 2–3 декабря и 10–11 декабря 2010 г. Амплитуды скорости порывов ветра в эти периоды достигали 14 м/с, что соответствует оценке 7 баллов по шкале Бофорта.

Рис. 2.

Суточные вариации приземного давления (а) и амплитуды скорости порывов ветра (б) в Калининграде 28 ноября–13 декабря 2010 г.

Рис. 3.

Суточные вариации критической частоты (а) и полного электронного содержания (б) в Калининграде 28 ноября–13 декабря 2010 г.

На рисунке 3 показаны суточные вариации критической частоты (foF2, рис. 3а) и полного электронного содержания (ионосферный параметр ПЭС, рис. 3б) по наблюдениям в Калининградской обсерватории ИЗМИРАН. Как видно из рисунков, значительные изменения суточных вариаций критической частоты отмечались в дневное время 4–6 декабря 2010 г. и проявились в понижении foF2 на ~1–1.5 МГц. В периоды метеорологических возмущений можно отметить тенденцию к понижению критической частоты. В суточных вариациях ПЭС наблюдалось снижение дневных значений 1–5 декабря 2010 г., а также значительное понижение ПЭС в период штормовых метеорологических условий 10 декабря 2010 г., достигавшее ~30–40% по сравнению с метеорологически спокойными днями 6–7 декабря 2010 г. Отметим также, что периоды понижений дневных значений ПЭС совпадают с периодами возрастания амплитуды порывов ветра (рис. 2). Реакция ионосферного параметра ПЭС на прохождение сильных метеорологических возмущений является характерной особенностью и неоднократно обсуждалась в литературе [Chernigovskaya et al., 2015; Chou et al., 2017].

Рассматриваемый метеорологический шторм, очевидно, являлся частью более крупного метеорологического процесса, развивавшегося в северо-западном секторе Европы. Для анализа региональной метеорологической ситуации в нижней атмосфере в исследуемый период использовались данные наблюдений, доступные в базе данных NCEP-NCAR [Kalnay et al., 1996]. Соответствующие региональные распределения приземного давления для 12 UT 5–12 декабря 2010 г. представлены на рис. 4. Город Калининград (54° N, 20° E) отмечен звездочкой. Как видно из рис. 4, в рассматриваемый период времени Калининград оказался между двумя областями пониженного атмосферного давления к северу и югу, что, по-видимому, способствовало неустойчивым погодным условиям. Атмосферное давление в регионе изменялось день ото дня, незначительно повышаясь к 12.12.2010 г. Область повышенного давления смещалась с запада на восток, что привело к сокращению размеров зоны пониженного давления к северу и востоку от Калининграда. Согласно тем же архивным данным, ветровой режим в регионе в период штормовых условий характеризовался преимущественно западными и северо-западными ветрами, амплитуда ветра увеличивалась с началом штормовых условий и достигала максимальных значений 10.12.2010 г. К западу от Калининграда штормовые условия наблюдались с 09.12.2010 г. и достигали 6–7 баллов по шкале Бофорта.

Рис. 4.

Карты давления в северо-западном секторе Европы 9–12 декабря 2010 г. Звездочкой обозначено положение ст. Калининград.

Для оценки пространственных размеров области ионосферных возмущений были использованы глобальные карты распределений ПЭС, построенные по данным навигационных спутниковых систем с пространственным разрешением 2.5 на 5 град по широте и долготе соответственно и временны́м разрешением 2 ч. Рассматриваемый регион с центром в Калининграде и ограниченный ±15° по широте и ±20° по долготе представлен для 9–12 декабря 2010 г. на рис. 5. Как видно, после 09.12.2010 г. отмечается снижение амплитудных значений ПЭС преимущественно в дневное время. Максимальные понижения дневных значений ПЭС наблюдались10–11 декабря 2010 г. в дневное время (8–14 UT). В период метеорологического шторма область понижения дневных значений ПЭС смещалась к югу от Калининграда, достигая 40° N. К северу от Калининграда существенных изменений в суточных вариациях ПЭС не наблюдалось. В рассматриваемом долготном регионе (0°–40° E) понижение дневных значений ПЭС происходило на всех долготах южнее ~50° N.

Рис. 5.

Региональные карты распределений ПЭС в период 9–12 декабря 2010 г. Звездочкой отмечено положение ст. Калининград.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Как следует из представленных выше результатов наблюдений, изменение состояния ионосферы в рассматриваемый период протекало на фоне спокойных геомагнитных условий, за исключением 08.12.2010 г., когда отмечено умеренное геомагнитное возмущение с Кр = 3 и AE ≈ ≈ 450 нТл. При этом атмосферные условия в рассматриваемом регионе определялись существенной пространственной неоднородностью приземного атмосферного давления и скорости ветра, что способствовало развитию штормовых метеорологических возмущений. Ранее в работе [Депуев и Депуева, 2010] отмечалось, что резкие снижения атмосферного давления в нижней атмосфере при спокойных геомагнитных условиях оказывают влияние на состояние ионосферы, проявляющееся в снижении дневных значений критических частот. В работе [Борчевкина и Карпов, 2017] обращалось внимание, что возникающие в штормовых метеорологических условиях ионосферные эффекты в foF2 и ПЭС устойчиво коррелируют с увеличением скорости порывов ветра в приземной атмосфере. В результатах наблюдений, представленных в настоящей работе, также можно отметить период быстрого понижения атмосферного давления после 02.12.2010 г. и понижения foF2 и ПЭС, продолжавшийся до 05.12.2010 г. Наиболее значительные возмущения в ионосфере над Калининградом в рассматриваемый период возникли в условиях метеорологического шторма 10.12.2010 г. На рисунке 6 показаны изменения амплитуды скорости порывов ветра и значений ионосферных параметров ПЭС и foF2 10 и 11 декабря 2010 г. по отношению к значениям этих параметров в метеорологически спокойный день, предшествовавший возмущению (9 декабря 2010 г.). Как видно из рис. 6, значительное возрастание амплитуды скорости порывов ветра 10.12.2010 г. по отношению к 09.12.2010 г. отмечается в утренние часы. Следующие сутки 11.12.2010 г. незначительно отличаются по метеорологическим условиям от дня, предшествующего шторму. В изменениях ионосферных параметров отчетливо проявляется снижение значений ПЭС и foF2 днем 10 декабря до ~2.5 TECu и ~1.5 МГц, соответственно. Можно также отметить задержку между временем появления максимальных возмущений ветра в нижней атмосфере и временем максимального понижения критических частот и ПЭС 10.12.2010 г., составляющую ~3–4 ч.

Рис. 6.

Изменение амплитуды скорости порывов ветра, значений ПЭС и foF2 10 декабря 2010 г. (сплошная линия) и 11 декабря 2010 г. (штриховая линия) по сравнению со значением этих параметров 9 декабря 2010 г.

Как уже отмечалось, в условиях метеорологических возмущений наблюдается повышение волновой активности в диапазоне АГВ [Sauli and Boska, 2001; Sindelarova et al., 2009]. В теоретических исследованиях было показано, что распространение таких волн от поверхности Земли и их диссипация в верхней атмосфере приводит к формированию локализованных областей нагрева термосферы [Hickey, 2001, 2011; Карпов и др., 2016]. Появление областей повышенной температуры влияет на ионизационно-рекомбинационные процессы и приводит к снижению электронной концентрации. Можно предположить, что наблюдаемые изменения состояния ионосферы обусловлены такими процессами.

Естественно полагать, что изменчивость скорости ветра в нижней атмосфере характеризует неустойчивость динамики атмосферы и, следовательно, усиление волновой активности. Возможно, что временнáя задержка в появлении ионосферных возмущений по отношению к резким повышениям амплитуд скорости ветра (метеорологический параметр ff3) определяется волновым характером процессов, реализующих связи нижней и верхней атмосферы.

Отметим также знакопеременный характер изменений суточного хода критической частоты, который можно объяснить вертикальной структурой волн, распространяющихся из нижних слоев атмосферы. ПЭС, как интегральный по высоте параметр, в меньшей степени реагирует на вертикальную структуру волн. Однако, значительные дневные понижения foF2 и ПЭС 10.12.2010 г. следует рассматривать именно как реакцию ионосферы на процессы в нижней атмосфере. Более подробный анализ различий в динамике ПЭС и foF2 требует дополнительных исследований.

Региональные карты ПЭС на рис. 5 позволили выявить значительное уменьшение ПЭС в области метеорологического события и представить качественно пространственные масштабы возмущения. Однако из-за своего недостаточного пространственного и временнóго разрешения, а также погрешности измерений эти карты не могут использоваться в качестве единственного надежного инструмента выявления ионосферного отклика на метеорологические возмущения. Поэтому дополнительно были рассмотрены значения ПЭС, измеренные на отдельных наземных станциях, равноудаленных приблизительно на 5–15 град к северу, югу, востоку и западу от Калининграда, а также на соседней станции в Ольштыне. Данные измерения отличаются гораздо большей точностью по сравнению с глобальными картами ПЭС, а также доступны с разрешением до 5 с.

Соответствующие наблюдения ПЭС на станциях в Риге (56.94° N, 24.06° E), Ольштыне (53.89° N, 20.67° E), Штральзунде (54.51° N, 13.64° E), Обнинске (55.11° N, 36.60° Eи Софии (42.56° N, 23.39° Eдля 9–12 декабря 2010 г. представлены на рис. 7 сплошной линией. Медиана, рассчитанная как скользящее среднее по 15 предшествующим дням, представлена пунктирной линией. Как видно из рисунка, на ст. Рига, расположенной северо-северо-восточнее Калининграда, изменения в суточных вариациях ПЭС 9–12 декабря 2010 г. весьма незначительны. На станциях, расположенных на одной широте с Калининградом и западнее (станции Ольштын и Штральзунд), наблюдалось слабое понижение ПЭС на 1–1.5 TECu 11–12 декабря 2010 г. Восточнее Калининграда (ст. Обнинск) понижение значений ПЭС на 2–4 TECu происходило после 10.12.2010 г. Наиболее заметные понижения значений ПЭС на 4 TECu отмечаются южнее Калининграда (ст. София), начиная со второй половины дня 10.12.2010 г.

Рис. 7.

Суточные вариации (сплошные линии) ПЭС и средние значения ПЭС за 15 предыдущих дней (пунктирные линии) на станциях в Риге, Ольштыне, Штральзунде, Обнинске и Софии 9–12 декабря 2010 г.

Таким образом, как следует из наблюдений (рисунки 5, 7) в период 9–12 декабря 2010 г. понижение значений ПЭС, как по отношению к медианным значениям, так и по отношению к предшествовавшему метеорологическому шторму дню (09.12.2010 г.), отмечалось на всех станциях, расположенных на одной широте с Калининградом и южнее. Эти изменения состояния ионосферы проходили на фоне спокойных геомагнитных условий, и естественно полагать, что их причиной являются метеорологические процессы.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ наблюдений атмосферных и ионосферных параметров в период развития метеорологического шторма показал следующее.

1. Развитие метеорологического шторма, сопровождающееся быстрыми изменениями скорости ветра, ведет к локальным ионосферным возмущениям, проявляющимся в понижении дневных значений ионосферного параметра ПЭС непосредственно над областью метеорологических возмущений. Изменение скорости ветра определяется неустойчивым состоянием атмосферы и характеризует процессы возбуждения атмосферных волн.

2. Пространственные размеры области проявления штормовых метеорологических условий определяются развитием конкретного метеорологического процесса. Пространственные масштабы ионосферных возмущений, наблюдавшихся в периоды возмущенных метеорологических условий 10–12 декабря 2010 г., достигали значительных размеров и составляли ~1000 км.

Физические процессы, определяющие пространственные и временны́е особенности ионосферных возмущений, возникающих в периоды метеорологических штормов, недостаточно изучены. Однако можно предположить, что в условиях метеорологических штормов усиливаются процессы возбуждения АГВ в нижней атмосфере. Распространение таких волн в верхнюю атмосферу приводит к формированию возмущений состояния термосферы на пространственных масштабах, определяемых длительностью и пространственными размерами области, находящейся в зоне метеорологического возмущения. Появление таких областей влияет на циркуляцию и электродинамические процессы в термосфере и ионосфере. Более подробное описание комплекса физических процессов, реализующих связи динамики нижней и верхней атмосферы, предполагает проведение дополнительных модельных исследований.

5. БЛАГОДАРНОСТИ

В работе использовались данные NOAA Earth System Research Laboratory (www.esrl.noaa.gov/ psd); NASA Crustal Dynamics Data Information System (www.cddis.nasa.gov); World Data Center for Geomagnetism, Kyoto (www.wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp).

6. ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ № 18-05-00184.