Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 6, стр. 727-741

1. ВВЕДЕНИЕ

Параметры В0 и В1 определяют форму N(h)-профиля ионосферы и рассчитываются в любой модели, однако есть расхождение со значениями, которые получаются путем расчета профилей из ионограмм, например, наземных ионозондов (В0_Neh_I, В1_Neh_I). Важность оценки В0 и В1 определяется тем, что форма N(h)-профиля влияет на значения таких параметров, как время распространения, МПЧ, ТЕС. Большинство публикаций посвящены изучению поведения В0_Neh_I, В1_Neh_I и сравнению с моделями на средних, в низких и экваториальных широтах. В настоящей статье такое изучение проведено по данным высокоширотной ст. Норильск (69.4° N, 88.1° E). Исследование включает: 1) обзор результатов предшествующих публикаций; 2) описание климатологических особенностей поведения В0_Neh_I и В1_Neh_I в высокоширотной зоне; 3) поведение В0_Neh_I и В1_Neh_I во время возмущений.

2. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ПУБЛИКАЦИЙ

Интерес к параметрам В0 и В1 вызван следующими обстоятельствами. Модель IRI является наиболее широко используемой и предпочтительной еще и в силу ее постоянной модификации [Bilitza et al., 2017]. В самом начале 2000-х гг. возникла потребность в точном знании и моделировании полного электронного содержания ионосферы ТЕС, которое сильно зависит от формы профиля, и оказалось, что эта форма, описываемая модельными параметрами В0 и В1, далека от реальной. В модели IRI профиль электронной плотности внутренней ионосферы описывается следующим аналитическим выражением Ne(h) = = NmF2 exp(–x^B1)/ch(x), x = (hmF2–h)/B0 [Ramakrishnan and Rawer, 1972]. Для параметра B0 в IRI предусмотрены две опции. Одна – это стандартная модель, основанная на таблице значений (опция B0-table), полученных по измерениям с помощью ионозондов (Ramakrishnan and Rawer, 1972; Bilitza, 1990), в которой параметр В0 является разницей между высотой максимума hmF2 и высотой h0.24, где электронная концентрация падает до значения 0.24NmF2 (x = 1), определяя толщину нижней части профиля. Параметр В1 определяет форму профиля между hmF2 и h0.24: чем больше В1, тем больше плотность электронов в этой области. Другая опция (опция Gul) основана на модели Gulyaeva [1987], использующей высоту, где плотность электронов падает до половины максимальной плотности. В ранней версии таблица В0 была составлена по данным среднеширотных станций. В работе [Bilitza et al., 2000] она была модифицирована включением данных низкоширотных и экваториальных станций. Стандартная опция В1 представлена суточной вариацией с помощью переходной функции Эпштейна [Gulyaeva, 2007]. Это вызвало всплеск публикаций по сравнению новых модельных и рассчитанных по ионограммам значений В0 и В1. Попутно были выявлены многие особенности поведения этих параметров. В работе [Chuo, 2012] по результатам 20 статей, опубликованных с 1972 по 2011 гг. и относящихся к среднеширотным и экваториальным областям, сделан вывод: В0_Neh_I испытывает заметные дневные, сезонные изменения и зависимость от солнечной активности. Параметр В1_Neh_I показывает небольшие сезонные изменения. Сама работа [Chuo, 2012] фокусируется на области экваториальной аномалии. Естественно, что наблюдались очень большие отличия от поведения в других зонах. Особенностью этой работы является исследование поведения В0_Neh_I во время возмущений и, что особенно важно, в привязке к изменению параметров NmF2 и hmF2. Проводится сравнение с результатами модели IRI. Корреляция между В0_Neh_I и hmF2 в период 6–13 LT мала во все сезоны. Коэффициенты корреляции составляют 0.152, –0.028 и 0.508 для равноденствия, лета и зимы, соответственно. Расчет модельных значений показал дневные и сезонные вариации для обеих опций, однако обе опции переоценивают наблюдаемые величины. Существенные положительные различия (~117%) для опции Gul появляются в период 10–15 LT летом и в равноденствие. Опция B0-table не отражает восходно-заходных особенностей. Результаты работы [Zhang et al., 2008] относятся к низкоширотной зоне (получены по данным ст. Hainan (19.4° N, 109.0° E) за период с марта 2002 по февраль 2005 г.). В0_Neh_I имеет наибольшие медианные значения в летний полдень (~200–250 км) и наименьшие значения (~40 км) вблизи полуночи в месяцы равноденствия. Модель IRI (опция B0-table) недооценивает В0_Neh_I в весенний период 2002 г., но обеспечивает хорошее соответствие летом и зимой. В1_Neh_I имеет наименьшие медианные значения (~1.2) вблизи летнего полудня и более высокие значения в ночные часы, чем днем, для всех сезонов. В работе [Zhang et al., 2008] приведены суточные зависимости коэффициентов корреляции R между В0_Neh_I и hmF2, В0_Neh_I и M(3000)F2, В1_Neh_I и hmF2, В1_Neh_I и M(3000)F2, В0_Neh_I и В1_Neh_I. Коэффициенты R между В0_Neh_I и hmF2 положительные, минимальные значения имеют место в полночь (~0.4–0.5), в дневные часы (10–20 LT) R превышают значение 0.9. Коэффициенты между В0_Neh_I и M(3000)F2 имеют зеркальное отражение с отрицательными значениями. Для В1_Neh_I все коэффициенты малы в течение 0–10 LT. Дневные (10–20 LT) коэффициенты лежат в диапазоне 0.6–0.8 для В1_Neh_I и M(3000)F2, для В1_Neh_I и hmF2, В0_Neh_I и В1_Neh_I коэффициенты отрицательны, являясь зеркальным отражением положительных значений для В1_Neh_I и M(3000)F2. Это создает хорошую возможность, чтобы использовать hmF2 и M(3000)F2 для определения В0_Neh_I и В1_Neh_I, однако нужно знать коэффициенты линейной регрессии. Результаты для индийского региона представлены в работах [Sethi et al., 2007, 2009] для ст. Дели (28.6° N, 77.2° Е) для дневных часов (10.00–14.00 LT) для трех сезонов 2003 г. и результаты сравнены с моделью IRI. Летом В0_Neh_I падает от 150 км до 80 км, зимой В0_Neh_I лежит в диапазоне ~70–80 км с максимумом в 13 LT, в равноденствие диапазон примерно тот же, но минимум в 12 LT. При сравнении с моделью IRI наилучшее соответствие со значениями В0_Neh_I дала опция В0-tаble. Значения В1_Neh_I зимой лежат в диапазоне 1.4–1.6, летом 1.8–1.9, в равноденствие 1.6–2.2. В модели IRI обе опции дают одинаковое постоянное значение 1.95 во все сезоны. Каждая работа добавляет определенный штрих в описание поведения этих параметров. В работе [Liu et al., 2010] основное внимание уделено сезонным и долготным вариациям В0_Neh_I и В1_Neh_I в экваториальной зоне по данным радиозатменных измерений на спутниках FORMOSAT-3/COSMIC (F3/C) в дневное время с 13 июля 2006 по 20 октября 2008 г., что позволило выявить сложные долготные вариации, зависящие от сезона. В равноденствие четко выделяются пики в волновой структуре. Наиболее поразительной особенностью является стабильный максимум вблизи долготы 100° Е. В работе [Lei et al., 2004] представлена климатология В0_Neh_ISR и В1_Neh_ISR по данным радара некогерентного рассеяния (ISR) в американской среднеширотной зоне (Millstone Hill (42.6° N, 288.5° E)) за период 1976–2002 гг. в спокойные дни. Поведение В0_Neh_ISR характеризуется утренними и вечерними падениями для всех сезонов, кроме лета, и 15%-м изменением В1_Neh_ISR в течение солнечных циклов. Оба параметра проявляют большие изменения ото дня ко дню во все сезоны. В0_Neh_ISR ниже ночью, а выше днем, конкретный вид суточной зависимости меняется с сезоном и солнечной активностью. В1_Neh_ISR проявляет большое рассеяние в диапазоне 0.8–5. Суточная вариация изменяется от ~1.7 (1.9) днем до ~2.5 (2.9) ночью для низкой (высокой) активности. В сезонном ходе В1_Neh_ISR днем выше зимой и ниже летом, ночью нет заметной вариации. От низкой к высокой активности В1_Neh_ISR увеличивается на ~15%. Сравнение с моделью IRI-2001 (B0-Gul и B0-table) дало следующие результаты. Суточные кривые В0_IRI для обеих опций симметричны относительно полудня, тогда как в данных В0_Neh_ISR такой симметрии нет. При низкой солнечной активности обе опции занижают значения. Значения B0_IRI для опции B0-table увеличиваются от низкой к высокой активности. Значения B0_IRI для опции B0-Gul при высокой активности занижают значения на 10–20 км. Дневные модельные В1_IRI для опции B1-table и ночные В1_IRI для опции B1-Gul близки к В1_Neh_ISR при высокой активности. Модельные В1_IRI не показывают какой-либо зависимости от солнечной активности.

В работе [Oinats et al., 2005] результаты относятся к среднеширотному региону: они получены по данным ст. Иркутск (52.3° N, 104.3° E) в 2003–2004 гг. для 4 сезонов (зима, весна, лето, осень). Значения В0_Neh_I зимой лежат в диапазоне 60–80 км с максимумами в 06 LT и 21 LT, весной диапазон составляет 70–100 км с максимумом в полдень и минимумом ночью, летом диапазон самый широкий 70–140 км с максимумом в 10–12 LT и минимумом ночью, осенью ситуация близка к весенней с минимальным падением в восходно-заходные часы. Все значения для 2003 г. больше значений для 2004 г., т.е. есть явная зависимость от солнечной активности. Для В1_Neh_I зимой диапазон составляет 2.2–3.4 с максимумами в 06 LT и 21 LT и минимумом днем, весной диапазон 2.0–3.0 с максимумом ночью и минимумом днем, летом в пределах 1.8–3.2 плавное падение от ночи ко дню и подъем во второй половине дня, осенью диапазон 2.0–3.2 с подобием весеннего поведения. В работе [Oinats et al., 2005] приведены графики зависимостей полуденных значений В1_Neh_I (12 LT) и зенитного угла Солнца χ от дня года. Оба графика близки друг к другу, что может указывать на причину сезонной зависимости В1_Neh_I. Сравнение В0_Neh_I с моделью IRI было выполнено для 4 сезонов и двух опций B0-table и B0-Gul. Суточные вариации для B0_IRI для опции B0-Gul находятся в хорошем соответствии с наблюдениями, особенно в летнее время, однако глубокие минимумы при переходе от ночных значений к дневным и наоборот не соответствуют наблюдениям. Результаты для опции B0-table находятся в плохом соответствии как в сезонном, так и в суточном поведении. Для В1 модель В1-tаble качественно воспроизводит поведение В1_Neh_I кроме зимних восходно-заходных минимумов. Значение B1_IRI = 3 опции B1-Gul далеко от наблюдаемых значений.

В работе [Perna et al., 2018] приводятся результаты для низкоширотной и экваториальной зоны южного полушария по данным бразильской Sao Jose (23.1° S, 314.5° E) и аргентинской Tucuman (26.9° S, 294.6° E) станций. Даются статистические результаты для низкой и высокой активности, однако наиболее интересная часть этой статьи связана с обзором работ и результатов по корреляции между hmF2 и В0_Neh_I. Коэффициенты корреляции между hmF2 и В0_Neh_I оказались 0.87 в равноденствие, 0.57 зимой, 0.51 летом для станции SJ и высокой активности, для станции TU 0.69 в равноденствие, 0.85 летом высокой активности. Модель IRI_A дает неплохое соответствие для В0_IRI_A во время равноденствия любой активности, но очень плохое соответствие для В1_IRI_A. Результаты лучше для низкой, чем для высокой активности.

Появление ТЕС в качестве параметра, описывающего состояние ионосферы, показало важность еще одного параметра – эквивалентной толщины ионосферы τ, которая может использоваться для определения foF2. В некоторых работах оценивалась корреляция между τ и В0. В работе [Chuo, 2010] исследовалась связь между τ и В0_Neh_I по данным низкоширотной ст. Wuhan (114.4° E, 30.6° N) с апреля 1999 по март 2000 г., т.е. в период высокой активности, и с другими параметрами ионосферы. Корреляция между τ и В0_Neh_I была рассчитана отдельно для дневного (08:00–16:00 LT) и ночного (20:00–04:00 LT) времени. Дневные летнее (0.8115) и зимнее (0.8145) значения оказались выше равноденственного (0.6732). В ночное время соотношение по сезонам такое же, но все значения намного ниже: 0.5582 летом, 0.4820 зимой и 0.1591 в равноденствие. Была исследована связь параметров во время магнитной бури (МБ) 20–24.10.1999 г. с минимальным Dst = –238 нТл в 08:00 UT 22.10.1999 г. Наблюдалось увеличение ТЕС после начала МБ и флуктуации foF2 в период (13:00–20:00 UT). На этом фоне оба параметра τ и В0_Neh_I испытывали четкое увеличение, более выраженное для τ, чем для В0_Neh_I. Отмечено, что увеличение τ, связанное с увеличением ТЕС и hmF2, указывает на сильное влияние плазмосферной части ТЕС на τ. Приводятся физические причины, объясняющие такое поведение параметров. Работа [Alagbe, 2012] напрямую посвящена корреляции τ и В0_Neh_I как в периоды низкой и высокой активности, так и во время возмущений, по данным вертикального зондирования на ст. Ouagadougou, Burkina Faso (12.4° N, 1.5° W) в 1990, 1991, 1995 гг. Получены коэффициенты корреляции, превышающие 0.95 в спокойное время и 0.90 во время возмущений. Приводятся коэффициенты регрессионных кривых В0 = aτ + b. Поскольку не указано, откуда берутся значения ТЕС, можно предположить, что они вычислены по N(h)-профилю в соответствии с аппроксимацией до высоты 600 или 1000 км, но это не имеет отношения к реальному значению τ. В работе [Odeyemi et al., 2018] определяется корреляция между τ и В0_Neh_I по данным ст. Ilorin (8.500° N, 4.680° E) в 2010 г. и делается сравнение обоих параметров с моделью IRI-2016.

Наиболее полной и важной по многим аспектам работой является статья [Altadill et al., 2009]. Приведенный выше обзор работ показывает, что однозначно определить, какая опция лучше, трудно. В работе [Altadill et al., 2009] предложена новая модель В0_A, В1_A, причем, что особенно важно, ею охвачены несколько широтных зон: 0–20°, 20–40°, 40–60°. Модель основана на разложении Фурье по экспериментальным данным 27 ионозондов по всему земному шару. Параметры В0_Neh_I, В1_Neh_I определялись из N(h)-профилей, усредненных за месяц на каждый час методом NHPC [Huang and Reinish, 1996; Reinish et al., 2005]. Отбирались спокойные условия, что привело к исключению 25% случаев. Коэффициенты разложения выражены в виде функции от RZ12, что обеспечивает прогностические возможности. Результаты приведены для двух сезонов: лето (май–июль в северном полушарии, ноябрь–январь в южном полушарии), зима (ноябрь–январь в северном полушарии, май–июль в южном полушарии). Рисунки 2, 3 этой статьи очень наглядно представляют особенности суточного поведения В0_Neh_I, В1_Neh_I для высокой и низкой активности. При описании результатов авторы сделали следующие акценты. Летом для всех широт и уровней солнечной активности доминирует суточный ход с полуденными значениями В0_Neh_I, превышающими полуночные. Летние В0_Neh_I выше при высокой активности, чем при низкой. Зимние кривые В0_Neh_I существенно отличаются от летних, обладая широтной зависимостью, и в низких широтах имеют явный суточный ход для всех уровней активности с превышением полуденных значений над полуночными. В диапазоне низко-средних широт проявляется полусуточная вариация для высокой активности и слабая зависимость при низкой. Зимние В0_Neh_I выше при высокой активности. Для средне-высоких широт зимние значения выше для высокой активности. Значения В1_Neh_I имеют гораздо больший разброс, чем В0_Neh_I. Летом всегда полуденные значения меньше полуночных, а суточная амплитуда уменьшается при увеличении широты. Летние значения В1_Neh_I меньше для высокой активности. Зимой нет четкой суточной зависимости при низкой активности. Ночью суточная зависимость имеет явный вид в низких широтах при высокой активности. Зимние значения проявляют тенденцию превышать летние. Сравнение с двумя опциями IRI показало существенное улучшение качества определения В0, В1. Количественные показатели представлены на рис. 8 этой статьи в виде среднеквадратических ошибок в зависимости от года. Средняя за все годы ошибка σ(В0_IRI_A) для нового метода составила 17.77 км, для стандартной опции – 24.43 км, для опции Gul – 25.84 км, улучшив прогноз на 37.5% для стандартной опции и на 45.4% – для опции B0-Gul. Для В1 σ(В1_IRI_A) составила 0.67 и 0.8 для нового метода и стандартной опции, улучшив прогноз на 19.4%. Эта модель является опцией по умолчанию в текущей версии IRI-2016. Таким образом, основные результаты ограничиваются широтой 60°. В работе [Zaalov et al., 2017] отмечается, что в авроральной зоне IRI-параметры могут давать значительные расхождения с экспериментом. По ссылке на [Themens, 2014], ошибки IRI для foF2 в полярной шапке могут достигать 50%, для В0_IRI – 40%. Указано, что необходимы оценки для высокоширотной зоны.

3. ОПИСАНИЕ КЛИМАТОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ В0_Neh_I И В1_Neh_I В ВЫСОКОШИРОТНОЙ ЗОНЕ

Наиболее детально климатология параметров В0_Neh_I, В1_Neh_I представлена в работе [Altadill et al., 2009]. В данном разделе приводятся результаты для ст. Норильск. Для имеющихся в базе DIDbase (http://ulcar.uml.edu/DIDBase/) данных (2003–2012 гг. с пропуском 2004–2005 гг.) максимум солнечной активности приходится на 2003 и 2011–2012 гг. Значения В0_Neh_I, В1_Neh_I в этой базе получены из расчета N(h)-профилей по ионограммам ВЗ методом NHPC [Huang and Reinish,1996; Reinish et al., 2005].

В левой части рис. 1 показаны среднемесячные значения индекса F10.7. Годы, которым соответствуют кривые, указаны цифрами. В правой части рис. 1 дано изменение индекса Dst в периоды, выбранные для описания поведения В0_Neh_I, В1_Neh_I во время возмущений.

Рис. 1.

Поведение индексов F10.7 и Dst в исследуемый период.

Отличительной чертой очень многих работ является усреднение по сезонам, которое может включать от 3 до 4 мес. Здесь на рис. 2 приводятся среднемесячные значения параметров В0_Neh_I и В0_Neh_I и рассчитанные по модели IRI_A (опция [Altadill et al., 2009]). Указание на эту опцию дается буквой А.

В сезонном ходе значения В0_Neh_I выше летом, чем зимой, и в годы высокой активности. Это совпадает со статистикой поведения в большинстве широтных зон. Модель IRI-A правильно воспроизводит тенденцию сезонного хода, в том числе зависимость от солнечной активности, но диапазон значений меньше, летние значения ниже В0_Neh_I, а ночные выше. Значения В1_Neh_I имеют минимум летом, максимум зимой, разброс от 1.3 до 3.0. Есть некоторая тенденция обратной зависимости от солнечной активности. Для IRI значения В1_IRI_A имеют сезонную зависимость, но нет зависимости от солнечной активности. Если сравнивать относительные отклонения σ, %, модельных значений от рассчитанных по ионограммам, то наибольшими они являются для параметра В0_IRI_A, причем зимой значения могут составлять до 100%, летние лежат в пределах 10–40% с общей тенденцией увеличения с уменьшением солнечной активности. Для параметра В1_IRI_A зимние значения меньше (15–40%), летние имеют больший разброс (8–50%) без определенной зависимости от солнечной активности.

Рис. 2.

Климатология параметров В0_Neh_I и В1_Neh_I в сравнении с результатами модели IRI_A.

Рис. 3.

Климатология параметров foF2 и hmF2 в сравнении с результатами модели IRI.

Поскольку сравнений и для основных параметров ионосферы foF2 и hmF2 для высокоширотных зон не так много, на рис. 3 приводятся среднемесячные экспериментальные и модельные значения этих параметров.

Значения foF2 в принципе согласуются. Значения hmF2 завышаются моделью. Для относительных отклонений σ, %, характеризующих точность определения foF2 с помощью модели IRI, были получены величины 1–10% в летнее время, 15–50% в зимнее время. Это дополняет результаты работы [Maltseva et al., 2013] для других высокоширотных станций, расположенных в американском и европейском регионах. Полученные в этой работе оценки для двух лет (2001 и 2007 гг.) показали зависимость σ для foF2 от солнечной активности: в минимуме σ в 1.5–2 раза больше, чем в максимуме, для медиан. Полученные в данной работе оценки для летних условий ниже границы значений из работы [Maltseva et al., 2013], зимние значения превышают верхнюю границу. Для параметра hmF2 имеется зависимость от солнечной активности: при высокой активности σ < 10%, при низкой активности – 10–20%. Таким образом, оценки для В0_Neh_I, В1_Neh_I превышают точность определения стандартных параметров foF2, hmF2, что создает трудности при разработке модели В0, В1.

Суточный ход для различных месяцев максимальной и минимальной активности представлен на рис. 4, 5 для В0_Neh_I, В1_Neh_I и модельных значений. В суточном ходе вариации В0_Neh_I и В1_Neh_I присущи только летним месяцам с четкой зависимостью от солнечной активности, в зимнее время В0_Neh_I и В1_Neh_I имеют минимум и практически постоянны. Для месяцев равноденствия значения В0_Neh_I и В1_Neh_I совпадают и лежат между минимумом и максимумом. Эти тенденции близки к среднеширотным. Модель IRI обеспечивает следующие результаты в суточном ходе. Значения В0_IRI_A постоянны, находятся на уровне равноденственных значений В0_Neh_I, проявляют некоторую зависимость от солнечной активности. Значения В1_IRI_A постоянны только в летнее время, в остальные месяцы есть четкая тенденция сезонных вариаций с максимумами в полночь, но значения завышены.

Рис. 4.

Суточный ход значений параметров В0_Neh_I и В1_Neh_I для максимальной (2003 г.) и минимальной (2010 г.) солнечной активности.

Рис. 5.

Суточный ход модельных В0_IRI_A и В1_IRI_A для максимальной (2003 г.) и минимальной (2010 г.) солнечной активности.

В работе [Altadill et al., 2009] суточные зависимости В0_Neh_I и В1_Neh_I приведены для двух сезонов (лета и зимы) с усреднением по соответствующим месяцам: май–июль для лета и ноябрь–январь для зимы. Для определения того, как работает модель [Altadill et al., 2009] в случае отдельной станции, рассчитали такие же зависимости для эталонной ст. Juliusruh с усреднением по тем же годам, для которых были данные для ст. Норильск, чтобы сравнить с результатами этой станции, которая попадает в средне-высокоширотный диапазон (40°–60°) согласно рекомендациям работы [Altadill et al., 2009]. Результаты представлены на рис. 6, 7 для В0_Neh_I и В1_Neh_I. Годы высокой активности 2003 и 2012, годы низкой активности – 2006–2010.

Рис. 6.

Суточные вариации В0_Neh_I для различных сезонов и уровней солнечной активности для двух станций.

Рис. 7.

Суточные вариации В1_Neh_I для различных сезонов и уровней солнечной активности для двух станций.

Для В0_Neh_I лучше всего совпадают летние значения как для высокой, так и низкой активности. Зимние значения В0_Neh_I для Juliusruh ниже модельных, особенно это относится к дневным значениям в период высокой активности, маскирующим восходно-заходные впадины, хорошо видимые на модельной кривой. Для ст. Норильск, которая попадает в более высокоширотный диапазон, летние значения намного выше и кривая суточного хода почти плоская. Для зимних значений кривые двух станций близки за исключением более длинного дневного периода. Для В1_Neh_I диапазон значений для Juliusruh во всех случаях шире. В зимний период восходно-заходные максимумы выражены более сильно. В период низкой активности на модельной кривой их нет, они присутствуют только в разбросе значений. Для ст. Норильск диапазоны В1_Neh_I существенно уже, сами значения ниже, восходно-заходные максимумы выражены в период высокой активности. Таким образом, модельные значения более сглаженные за счет статистики, но значения для ст. Juliusruh лежат в пределах вариаций. Особенности поведения параметров В0_Neh_I, В1_Neh_I в высокоширотной зоне отличаются, что связано с меньшей освещенностью.

Некоторые работы посвящены исследованию корреляции между параметрами, поскольку в случае отсутствия данных можно было бы использовать регрессионные соотношения для заполнения пробелов.

Результаты расчетов коэффициентов корреляции ρ(hmF2, В0_Neh_I), ρ(τ, В0_Neh_I), ρ(τ, hmF2) между различными параметрами для двух станций для дневных и ночных условий при низкой (НА) и высокой (ВА) активности сводятся к следующему.

Начнем с коэффициента между hmF2 и В0_Neh_I. Для Juliusruh в дневное время (LT = 13) зимой ВА в январе–феврале и ноябре–декабре ρ(hmF2, В0_Neh_I) ≥ 0.8, летом ρ(hmF2, В0_Neh_I) ~ 0.2. При НА зимой значения ниже, летом выше (в июне ρ(hmF2, В0_Neh_I)~ 0.8). У Норильска зимой ВА ρ(hmF2, В0_Neh_I) ≥ 0.6, летом небольшие отрицательные значения. При НА зимой ситуация близка к летней, летом значения положительные. В ночное время (LT = 01) у Juliusruh при ВА коэффициенты ρ(hmF2, В0_Neh_I) положительны с максимумом в апреле–мае и минимумом в июле. При НА в период с января по октябрь ρ(hmF2, В0_Neh_I) лежит в диапазоне 0.8–1.0, в ноябре–декабре ρ(hmF2, В0_Neh_I) = = 0.6. У Норильска ночью (LT =0) зимой, весной и осенью ρ(hmF2, В0_Neh_I) > 0.8, летом ρ(hmF2, В0_Neh_I) < 0.4. При НА поведение похожее. Таким образом, в зимнее время корреляция всегда высокая (днем и ночью). В утренние часы (LT = 07) у Juliusruh к месяцам с высокими коэффициентами относятся только январь–февраль и ноябрь–декабрь, зато летние значения увеличиваются до 0.7. У Норильска (LT = 06) при ВА зимние значения как у Juliusruh, летние – меньше. В вечерние часы (LT = 19) у Juliusruh с января по март и с сентября по ноябрь ρ(hmF2, В0_Neh_I) > 0.8, в остальные месяцы ρ(hmF2, В0_Neh_I) > 0.4. При НА все коэффициенты больше 0.5. У Норильска (LT = 18) при ВА высокие коэффициенты в январе–феврале и октябре–декабре. При НА кроме января, ноября–декабря корреляция отсутствует. Изучение корреляции параметра τ с hmF2 и В0_Neh_I важно, поскольку определение τ доступнее и надежнее. Результаты приводятся для дневных и ночных условий ВА и НА в сравнении для двух станций. Днем для ст. Juliusruh при ВА ρ(τ, hmF2) имеет большие абсолютные значения при отрицательном знаке только летом (июнь–июль), ρ(τ, В0_Neh_I) имеет большие положительные значения (~0.8) в месяцы равноденствия. В период НА усиливается отрицательная корреляция между τ и hmF2 и резко ослабляется положительная корреляция между τ и В0_Neh_I. У Норильска днем ρ(τ, hmF2) лежит в диапазоне (–0.6–0.4) при любой активности, ρ(τ, В0_Neh_I) имеет большие положительные значения летом и осенью (май–август, октябрь–ноябрь) при ВА, при НА корреляция очень мала. Ночью для Juliusruh ρ(τ, hmF2) лежат в диапазоне (–0.4–0.6) при ВА, при НА ρ(τ, hmF2) имеют место маленькие отрицательные значения. Коэффициенты ρ(τ, В0_Neh_I) малы при НА и совпадают с ρ(τ, hmF2) при ВА. Ночные ρ(τ, hmF2) у Норильска лежат в диапазоне (–0.4–0.6), ρ(τ, В0_Neh_I) имеют большие значения в апреле–июле и октябре. При НА оба коэффициента положительные, но большие значения только в январе и ноябре. В утренние часы оба коэффициента малы, вечером ρ(τ, В0_Neh_I) лежат в диапазоне (0.6–0.8) летом при ВА, при НА ρ(τ, hmF2) летом имеет большие отрицательные значения, ρ(τ, В0_Neh_I) отрицательны и малы. Пример коэффициентов линейной корреляции ρ(τ, В0_Neh_I) и ρ(τ, hmF2) на каждый час дан на рис. 8 для нескольких лет и для двух станций (среднеширотной и высокоширотной).

Рис. 8.

Корреляция параметра τ с толщиной В0_Neh_I и высотой максимума hmF2.

Результаты для 2010 г. (минимум солнечной активности) показаны квадратами. Они близки для обеих станций, но сильно отличаются от ситуации для экваториальной станции. Коэффициенты ρ(τ, В0_Neh_I) для среднеширотной станции чуть больше, чем для высокоширотной, но все не дотягивают до уровня значимой корреляции. Коэффициенты для высокой солнечной активности в большинстве случаев выше, чем для низкой активности, но также далеки от значимых значений. Результаты для ρ(τ, hmF2) для обеих станций показывают хорошую корреляцию в зимних и осенних условиях.

4. ПОВЕДЕНИЕ В0_Neh_I И В1_Neh_I ВО ВРЕМЯ ВОЗМУЩЕНИЙ

Периоды возмущений рассмотрены для 2003, 2009 и 2012 гг. В эти периоды, когда данные ВЗ были неполными, знак возмущения контролировался по ТЕС. Всего получилось 64 случая, из них в 55 случаях удалось отождествить вариации параметров. Случаи были сгруппированы по знакам отклонений от соответствующих медиан (положительные, отрицательные). Случаи положительных и отрицательных отклонений δТЕС разделились почти пополам. Следующие вариации, знаки которых учитывались, относились к В0_Neh_I и В1_Neh_I. В группе отрицательных отклонений δТЕС наибольшую вероятность имеют случаи увеличения В0_Neh_I и уменьшения В1_Neh_I. Следующая подгруппа включает увеличение В0_Neh_I и близость В1_Neh_I к медиане. В группе положительных отклонений δТЕС больше случаев увеличения В0_Neh_I и уменьшения В1_Neh_I, вторая подгруппа включает уменьшение В0_Neh_I и увеличение В1_Neh_I. Это позволило свести большинство случаев в табл. 1.

Оставшиеся случаи включают разнообразные комбинации знаков вариаций. Таким образом, в большинстве случаев реакция В0_Neh_I заключается в увеличении значений, а для изменений В1_Neh_I существует неопределенность. Ниже дается иллюстрация поведения параметров для конкретных случаев.

Первый случай 27–31 марта 2003 г. с минимальным Dst = –76 нТл приведен на рис. 9 и показывает отрицательные возмущения 28 и 30.03.2003 г. Квадратами показана медиана.

Рис. 9.

Случай возмущения 27–31 марта 2003 г.

Вариации ТЕС соответствуют вариациям foF2. Вариации В0_Neh_I и В1_Neh_I происходят с противоположными знаками. Июль 2003 г. представлен двумя периодами возмущений: 16–17.07 с минимальным Dst = –90 нТл и 27–28.07 с минимальным Dst = –53 нТл – рис. 10.

Рис. 10.

Случай возмущений 16–17 и 27–28 июля 2003 г.

Как и в первом случае, видна синхронность изменений foF2 и ТЕС, а также наличие больших пробелов в данных ВЗ. Практически все дни охвачены отрицательным возмущением. В0_Neh_I увеличивается, В1_Neh_I колеблется в пределах погрешности. Следующие примеры иллюстрируют случаи положительных возмущений. На рисунке 11 показан случай 1–5 ноября 2003 г.

Рис. 11.

Случай возмущения 1–5 ноября 2003 г.

В поведении ТЕС видно длительное положительное возмущение. По-видимому, это влияние магнитной супербури 30 октября с минимальным Dst = –383 нТл, хотя и весь этот период является возмущенным. Отклонения δfoF2 от медианы также везде положительны и велики. Поведение вариаций В0_Neh_I и В1_Neh_I аналогично первому случаю. Нужно отметить, что в ноябре 2003 г., как и в октябре, была одна из самых сильных супербурь с минимальным Dst = –422 нТл. Если в период октябрьской супербури данных ВЗ по ст. Норильск не было вообще, то в ноябре немного данных было доступно, однако они не попали на период сильного положительного возмущения 20.11, когда δТЕС превышало 120%. Отрицательная фаза 21.11 показала результаты первой группы: сильное уменьшение δfoF2, большое увеличение δВ0_Neh_I и уменьшение δВ1_Neh_I. Результаты для 4-й группы (δТЕС > 0, δВ0_Neh_I < 0, δB1_Neh_I > 0) показаны на примере 1–2 июня 2003 г. на рис. 12.

Рис. 12.

Случай возмущения 1–2 июня 2003 г.

В этом случае наиболее четко проявляется синхронность вариаций в ТЕС, foF2, В0_Neh_I. Последняя группа включает случаи, когда положительные всплески ТЕС происходят без изменений Dst. В этих случаях было доступно больше данных по foF2, соответственно, по В0_Neh_I, В1_Neh_I и видны четкие вариации: В0_Neh_I намного ниже медианы, В1_Neh_I выше своей медианы. Пример дается для 14–17 августа 2003 г. В этом случае период спокойных дней продолжался с 9 по 16.08. Результаты приведены на рис. 13.

Рис. 13.

Случай возмущения 14–17 августа 2003 г.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы сводятся к следующему: оценены климатологические особенности поведения параметров В0_Neh_I и В1_Neh_I, определяющих форму профиля ионосферы, по данным высокоширотной станции в форме, позволяющей сравнивать полученные результаты с результатами Altadill et al. [2009] в других широтных зонах (рис. 6, 7). Получено, что средние значения В0_Neh_I, В1_Neh_I не являются надeжными, что создает трудности при разработке модели В0, В1. Сравнение с моделью IRI показало большие расхождения. Исследовано поведение В0_Neh_I, В1_Neh_I во время геомагнитных возмущений. Показано, что существуют несколько типов реакции параметров ТЕС, foF2, В0_Neh_I, В1_Neh_I на возмущения, которые в первом приближении можно представить в виде таблицы из 5 групп. В большинстве случаев В0_Neh_I растет во время возмущений, а В1_Neh_I падает. Не обнаружено зависимости результатов от уровня возмущений. Более того, “возмущенные” вариации всех параметров могут иметь место и в спокойных условиях. Эти случаи наиболее трудны для прогнозирования. Во время возмущений и не только имеются большие пробелы в данных. Полное электронное содержание ТЕС правильно отражает состояние ионосферы и может служить для определения знака возмущения.