1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 5, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 5, стр. 646-654

Возмущения ионосферы во время метеорологических штормов

М. И. Карпов 1, 2, И. В. Карпов 1, 2, *, О. П. Борчевкина 1, 2, Г. А. Якимова 1, Н. А. Коренькова 1

1 Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ЗО ИЗМИРАН)
г. Калининград, Россия

2 Балтийский федеральный университет им. И. Канта
г. Калининград, Россия

* E-mail: ivkarpov@inbox.ru

Поступила в редакцию 26.12.2019
После доработки 13.03.2020
Принята к публикации 21.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проанализированы возмущения ионосферы во время метеорологических штормов с усилением ветра от 8 баллов и выше по шкале Бофорта в Калининградской области за период 2010–2018 гг. К рассмотрению принимались ионосферные наблюдения, выполненные в условиях низкой геомагнитной активности. Анализ показал, что все выделенные события сопровождались возмущениями полного электронного содержания (ТЕС) и/или электронной концентрации в максимуме F 2-слоя ионосферы (foF2) спустя несколько часов после достижения максимума в скорости приземного ветра. При этом в четырех случаях из шести возмущения вдвое превысили стандартное отклонение величин от средних медианных значений. В четырех случаях наблюдались отрицательные возмущения TEC и foF2 (уменьшения величин), и в двух – положительные (увеличения TEC и foF 2). Возмущения наблюдались на протяжении не менее 3 ч преимущественно в дневное время суток. Относительные возмущения ТЕС, обусловленные метеорологическими штормами, превосходят соответствующие возмущения foF 2.

1. ВВЕДЕНИЕ

Прохождение атмосферных фронтов, формирование циклонов и антициклонов, образование мезомасштабной турбулентности, струйных потоков и прочих метеорологических процессов в нижней атмосфере являются источниками генерации акустико-гравитационных волн (АГВ) [Medvedev and Gavrilov, 1995; Fritz and Alexander, 2003; Plougonven and Snyder, 2007; Plougonven and Zhang, 2014]. По мере распространения АГВ от приземного источника, их амплитуда нарастает вследствие уменьшения плотности с ростом высоты. Процессы диссипации в значительной мере определяют возможности вертикального распространения волн и высоту, до которой может распространяться атмосферная волна. Теоретические исследования показывают, что метеорологические источники возбуждают сравнительно короткопериодные АГВ [Snively and Pasko, 2003]. Инфразвуковые волны и АГВ с периодами, близкими к периоду Вяйсяля–Брента, распространяясь из области возбуждения практически вертикально, могут достигать высот термосферы и ионосферы [Schubert et al., 2005]. Диссипация таких волн приводит к формированию локальных областей нагрева термосферы, что влияет на динамику и ионизационно-рекомбинационные процессы ионосферы [Карпов и Кшевецкий, 2014; Karpov and Kshevetskii, 2017].

Экспериментальные исследования состояния и динамики ионосферы над областями развития экстремальных метеорологических событий, таких как ураганы и тайфуны, демонстрируют формирование различного рода эффектов, в том числе перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), возмущений электрического поля, полного электронного содержания, возникновений оптических эмиссий, явлений F-рассеяния и пр. (Martinis and Manzano, 1999; Isaevetal., 2002; Исаев и др., 2010; Polyakova and Perevalova, 2013; Chernigovskaya et al., 2015; Chou et al., 2017; Li et al., 2017).Среднемасштабные ПИВ, инициированные тайфунами, со средней горизонтальной скоростью 120–130 м/с, амплитудой 1.8–2.0 TECU и максимальными горизонтальными масштабами ~600 км были представлены в работе [Song et al., 2016]. В работе [Li et al., 2018] при исследовании нескольких тайфунов у побережья Австралии обнаружили увеличения и/или уменьшения электронной концентрации в дни, когда скорость ветра достигала максимального значения. При этом амплитуды изменений полного электронного содержания (TEC) и критической частоты F 2-слоя ионосферы ( foF2) достигали 4–6 TECU и 1.5–2.0 МГц соответственно, т.е. 35–50% относительно невозмущенных значений.

Мониторинг менее масштабных и менее интенсивных событий также показывает их воздействие на верхнюю атмосферу, хотя эффекты в данных случаях выражены слабее. Так, резкие понижения атмосферного давления в Московском регионе сопровождались изменением электронной концентрации в максимуме F2-слоя на 10–15% относительно медианных значений и были как отрицательными (днем), так и положительными (ночью). Анализ спектра вариаций показал присутствие колебаний с периодами от 0.5 до 10 дней [Депуев и Депуева, 2010]. Наблюдения во время усилений приземного ветра вплоть до штормовых условий в Калининградской области показали уменьшения TEC и foF2 на 30% и 15% соответственно, при этом сопровождались положительными эффектами в приэкваториальных областях, что демонстрирует сложный характер распространения возмущения от приземного источника [Борчевкина и Карпов, 2017; Карпов и др., 2019a, б].

Цель настоящей работы – выделить на основе многолетних наблюдений в Калининградском регионе ионосферные возмущения, обусловленные преимущественным влиянием метеорологической активности.

2. МЕТОДЫ И ДАННЫЕ

Состояние и изменчивость ионосферы определяется многими геофизическими факторами. Зачастую развитие метеорологических возмущений происходит на фоне значительных изменений геомагнитной и солнечной активностей, повышении сейсмической активности, что значительно затрудняет выделение ионосферных эффектов, инициируемых метеорологическими процессами.

В работе проанализированы локальные вариации ионосферы в районе ст. Калининград (54° N, 20° E) во время продолжительных метеорологических событий в регионе за 2010–2018 гг. Для описания метеорологической обстановки использовались трехчасовые измерения максимальных значений порывов ветра, а также атмосферного давления, приведенного к среднему уровню моря, по архивным данным, представленным на сайте (www.rp5.ru). В качестве данных для анализа отклика ионосферы использовались часовые измерения критической частоты F 2-слоя ионосферы, характеризующего максимум в вертикальном профиле электронной концентрации, по данным ионозонда “Парус-А” Калининградского филиала ИЗМИРАН, а также осредненные за 10-минутный интервал измерения полного электронного содержания по данным наблюдений сигналов GPS. В качестве дополнительного источника данных использовались наблюдения, выполненные на расположенных вблизи Калининграда метеорологической станции в г. Ольштын (53° N, 20° E), Польша (часовые измерения) и станции International GNSS Service LAMA в н.п. Ламковко. Для сравнительного анализа ионосферных возмущений, вызываемых метеорологическими процессами в Калининградском регионе, были выбраны наблюдения TEC на ст. Херстмонсе Касл в Великобритании (50° N, 0° E).

Для анализа были выбраны метеорологические события, когда максимальная скорость приземного ветра в Калининграде достигала 17 м/с и более, что соответствует по шкале Бофорта 8 баллам и выше. Из общего числа событий были исключены дни с умеренной или высокой геомагнитной активностью. Критерием для спокойных условий являлось значение индекса геомагнитной активности Kp ≤ 3 в день события или в предыдущие сутки, значение Dst-индекса –20 ≤ ≤ Dst ≤ 20 нТл, и при этом не менялось более чем на 20 нТл в течение суток. Источником изменений TEC и foF2 могло бы также стать усиление авроральной активности. Акустико-гравитационные волны (АГВ), генерируемые в высоких широтах вследствие интенсификации авроральной электроструи, способны достигнуть широты г. Калининграда через несколько часов и влиять на состояние ионосферы. Поэтому дополнительным критерием отбора событий, выбрано значение AU- и AL-индексов не более 150 нТл в пиковые дни метеорологической активности.

Для анализа возмущений foF 2 и TEC были определены отклонения данных величин в i-й момент времени относительно скользящей медианы, отцентрированной на день рассматриваемого дня, с окном 13 сут до и после рассматриваемого момента времени:

$\Delta {{x}_{i}} = \frac{{{{x}_{i}}--\bar {x}}}{{\bar {x}}} \times 100\% ,$
$\bar {x} = \frac{{\sum\limits_i^N {{{x}_{i}}} }}{N},$
где $i = --13{\kern 1pt} \ldots {\kern 1pt} + {\kern 1pt} 13$, $N = 27$.

Стандартное отклонение величин определено как

$\sigma = \sqrt {\frac{1}{{N--1}}\mathop \sum \limits_i^N {{{\left( {{{x}_{i}}--\bar {x}} \right)}}^{2}}} .$

Анализ значимости расхождений наблюдений ТЕС в дни метеорологических штормов и медианных значений ТЕС по критерию Пирсона χ2 показал, что расчетные значения критерия значительно превосходят критический уровень, что указывает на неслучайность наблюдаемых возмущений ионосферы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Всего по указанным критериям для окончательного анализа было отобрано шесть событий продолжительностью от одного до трех дней. В таблице 1 приведены обобщенные данные по каждому событию, в том числе максимальные порывы ветра ( ff3) и среднее атмосферное давление (p), приведенное к уровню моря, в Калининграде и Ольштыне, а также возмущения TEC и foF2, включая наблюдения ст. Херстмонсе Касл, выраженные в величинах стандартного отклонения и в процентах относительно медианных значений. Для возмущений менее 1.5σ в табл. 1 указан прочерк.

Таблица 1.  

Среднее атмосферное давление, максимальная скорость порывов ветра, отклонения ТЕС и foF2 в Калининграде и Ольштыне, отклонения ТЕС на ст. Херстмонсе Касл во время рассмотренных метеорологических событий 2010–2018 гг.

Дата Калининград Ольштын ∆TEC
Калининград/ Ламковко 		∆  foF2
Калининград 		∆TEC
Херстмонсе Касл
ff3, м/с p, мм рт. ст. ff3, м/с p, мм рт. ст. σ % σ % σ %
27.03.2010 17 748 14 750 – – 1.8 –18 – –
26.12.2011 16 766 16 768 1.9 –28 – – – –
27.12.2011 17 767 17 769 2.1 –34 – – 1.7 –17
06.12.2013 17 734 20 738 1.6 –28 Нет данных – –
15.03.2014 19 746 22 747 2.0 –18 1.9 –13 1.9 –17
16.03.2014 16 746 14 747 1.6 –22 1.6 –18 1.6 –15
17.03.2014 20 748 25 750 1.8 –37 2.3 –28 – –
29.10.2017 18 737 20 738 – – – – – –
30.10.2017 18 751 20 754 2.0 – – – –
23.10.2018 12 757 17 758 – – –1.6 – 1.8   16
24.10.2018 17 753 20 753 2.4   20 –   16 – –

На рисунке 1 представлены данные наблюдений атмосферного давления, скорости максимальных порывов ветра, индексов геомагнитной активности Kp и Dst, а также данные TEC и foF2 в Калининграде и Ольштыне с 25 по 30 марта 2010 гг. Серыми линиями указаны медианные значения TEC и foF2. Во второй половине дня 27.03.2010 г. наблюдался максимум метеорологической активности в регионе, когда скорость ветра достигла 17 м/с. В вариациях TEC не зарегистрировано существенных отклонений, однако уменьшение критической частоты F 2-слоя по данным вертикального зондирования составило 18% относительно медианных значений (1.8 стандартного отклонения) и продолжалось вплоть до 06:00 UT 28.03.2010 г. После 08:00 UT наблюдается резкое увеличение TEC на 34% относительно медианных значений, а также foF2 на 24%, причинами которого могут быть как атмосферные условия, резкое падение Dst-индекса, так и усиление авроральной активности. По данным WDC for Geomagnetism, Kyoto (http://wdc.kugi.kyoto-u. ac.jp) всплеск AL-индекса в 05:00–07:00 UT и 12:00 UT 28 марта 2010 г. достигал 400 нТл, что могло вызвать усиление авроральной электроструи и генерации АГВ, которые могут достигнуть широты Калининграда через несколько часов. Однако возмущение в этот день происходит на фоне ослабления метеорологической активности и выходит за пределы периода рассмотрения в данной работе.

Рис. 1.

Измерения атмосферного давления P, максимальных порывов ветра ff3, индексов геомагнитной активности Kp и Dst, а также TEC и foF2 в Калининграде и Ольштыне с 25 по 30 марта 2010 гг. Серыми линиями указаны медианные значения TEC и foF2.

На рисунке 2 представлены результаты аналогичных наблюдений вариаций атмосферных и ионосферных параметров для периода с 24 по 29 декабря 2011 г. Как видно из рис. 2, 26–27 декабря, когда скорость ветра достигала 16–17 м/с, наблюдается падение TEC на 28 и 34% (1.9σ и 2.1σ соответственно), сохраняющееся и на следующий день. Уменьшения foF2 в данном случае выражены слабее и не выходят за пределы стандартного отклонения. Около полудня 29 декабря хорошо видна реакция на усиление геомагнитной активности, проявившаяся в повышении электронной концентрации.

Рис. 2.

То же, что и на рис. 1, но с 24 по 29 декабря 2011 г.

Анализ для события 3–8 декабря 2013 г. представлен на рис. 3. В данный период поведение TEC характеризуется спокойным ходом, и 6 декабря, когда порывы ветра достигали 20 м/с, наблюдается уменьшение полного электронного содержания на 28% относительно медианных значений, хотя данное возмущение составляет лишь 1.6 стандартного отклонения величины. В отличие от предыдущих событий, в данном случае эффекты наблюдаются на фоне пониженного атмосферного давления. Вертикальное зондирование ионосферы в данный период не проводилось по техническим причинам.

Рис. 3.

То же, что и на рис. 1, но с 3 по 8 декабря 2013 г.

Следующее событие усиления метеорологической активности наблюдалось 15 и 17 марта 2014 г. Результаты соответствующих наблюдений представлены на рис. 4. Данный случай примечателен наиболее высокими амплитудами порывов скорости ветра, составившими 19–20 м/с в Калининграде и 22–25 м/с в Ольштыне. В околополуденные часы 15.03.2014 г., когда атмосферное давление опустилось ниже 740 мм рт. ст., а порывы ветра превысили 20 м/с, на протяжении порядка 7–8 ч наблюдается уменьшение TEC и foF2 на 18 и 13% (2.0 и 1.9 стандартного отклонения) соответственно. В следующие два дня неустойчивой метеорологической обстановки 16 и 17 марта отрицательные возмущения TEC и foF2 сохраняются и достигают –37 и –28% соответственно.

Рис. 4.

То же, что и на рис. 1, но с 13 по 19 марта 2014 г.

На рисунке 5 представлены наблюдения метеорологической и ионосферной обстановки 27 октября–1 ноября 2017 г. Максимальные порывы ветра достигали 20 м/с во второй половине 29 октября–первой половине 30 октября. На протяжении 3 ч в ночное время суток наблюдался существенный рост TEC, достигавший в максимуме 64% относительно медианных значений (2.0 стандартного отклонения). Увеличения foF2 при этом составили 32% или 1.5 стандартного отклонения.

Рис. 5.

То же, что и на рис. 1, но с 27 октября по 1 ноября 2017 г.

Последнее событие за 2010–2018 гг. зарегистрировано 23–24 октября 2018 г. Соответствующие измерения представлены на рис. 6. К полудню 23 октября приземное атмосферное давление опустилось ниже 750 мм рт. ст., скорость ветра превысила 17 м/с и на следующий день достигла 20 м/с. В ночь на 24 октября наблюдался рост электронной концентрации, и к 09:00 UT увеличение TEC достигло 20% относительно осредненных величин, что соответствовало 2.4 стандартного отклонения. Увеличение критической частоты F 2-слоя составило 19%, или 1.6 стандартного отклонения.

Рис. 6.

То же, что и на рис. 1, но с 21 по 26 октября 2018 г.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Во всех рассмотренных случаях, в условиях прохождения метеорологических штормов над Калининградской областью, с порывами ветра от 8 баллов по шкале Бофорта и выше, над областью метеорологического шторма возникали ионосферные возмущения, наблюдавшиеся на протяжении не менее 3 ч. При этом, в четырех случаях из шести возмущения над Калининградом вдвое превысили стандартное отклонение величины, и составили 18–64% для TEC и 13–28% для foF 2. На ст. Херстмонсе Касл, расположенной западнее Калининграда, в эти дни ионосферные возмущения либо отсутствовали, либо были заметно слабее и не превысили 2σ и 17%.

Анализ рассмотренных событий позволяет заключить, что выявленные изменения состояния ионосферы обусловлены процессами, сопровождающими развитие метеорологических штормов. Усиление процессов генерации АГВ в таких метеорологических условиях, по-видимому, является наиболее важным фактором, определяющим возмущение состояния ионосферы. Вертикальное распространение и диссипация АГВ в верхней атмосфере приводит к формированию локальных возмущений температуры и плотности термосферы, что в свою очередь влияет на ионизационно-рекомбинационные процессы в термосфере. К тому же, как показано в работе [Snively and Pasko, 2003], метеорологические источники возбуждают сравнительно короткопериодные АГВ, которые на высотах нижней термосферы могут усиливать турбулентные процессы. Усиление турбулентности на высотах нижней термосферы ведет к значительным изменениям газового состава термосферы и, в частности, к понижению концентрации атомарного кислорода. Влияние указанных процессов на ионосферу проявляется в усилении рекомбинационных процессов и снижению эффективности ионизационных процессов, что приводит к отрицательным эффектам в динамике ТЕС и foF2. Как следует из результатов анализа наблюдений, в большинстве случаев реакция ионосферы на метеорологические возмущения проявляется в снижении дневных значений ТЕС и foF2, что согласуется с представлениями о влиянии АГВ на термосферу.

Причины появления положительных возмущений, по-видимому, связаны с более сложными процессами. Так, в наблюдениях, представленных в работе [Карпов и др., 2019а, б], было показано, что положительные ионосферные эффекты возникают на границе зоны метеорологических возмущений. Можно предположить, что причины таких ионосферных эффектов могут быть связаны с процессами переноса плазмы из области крупномасштабного термосферного возмущения, сформировавшегося над эпицентром метеорологического шторма, находящегося севернее Калининграда.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты анализа ионосферных возмущений, инициируемых метеорологическими штормами в Калининградском регионе за 2010–2018 гг., показали следующее.

1. Во всех рассмотренных случаях в условиях прохождения метеорологических штормов, с порывами ветра от 8 баллов по шкале Бофорта и выше, над областью метеорологического шторма возникают ионосферные возмущения, наблюдающиеся на протяжении не менее 3 ч.

2. В четырех из шести случаев амплитуды возмущений ионосферных параметров ТЕС и foF2 вдвое превысили стандартное отклонение от медианных значений, в двух случаях – от 1.6 до 2.0 стандартного отклонения.

3. Наиболее часто возникающие ионосферные возмущения проявляются в понижении дневных значений ТЕС и foF 2 и реже – в повышении этих параметров.

4. Наиболее вероятной причиной отрицательных возмущений ионосферы являются процессы, связанные с диссипацией АГВ, распространяющихся из области метеорологического шторма и усилением турбулентности в нижней термосфере.

5. Положительные ионосферные возмущения возникают в тех случаях, когда эпицентр метеорологического шторма находится в стороне от станции наблюдения. Причиной таких возмущений могут являться процессы переноса плазмы из области термосферного возмущения.

Список литературы

  1. − Борчевкина О.П., Карпов И.В. Ионосферные неоднородности в периоды метеорологических возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 5. С. 670–675. 2017.

  2. − Депуев В.Х., Депуева А.Х. Реакция критической частоты слоя F2 на резкое понижение атмосферного давления// Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 6. С. 833–842. 2010.

  3. − Исаев Н.В., Костин В.М., Беляев Г.Г. и др. Возмущения верхней ионосферы, вызванные тайфунами // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 2. С. 253–264. 2010.

  4. − Карпов И.В., Борчевкина О.П., Карпов М.И. Локальные и региональные возмущения ионосферы в периоды метеорологических возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 59. № 4. С. 492–500. 2019а.

  5. − Kарпов И.В., Карпов М.И., Борчевкина О.П. и др. Пространственно-временные вариации ионосферы во время метеорологического возмущения в декабре 2010 г. // Хим. физика. Т. 38. № 7. С. 79–85. 2019б.

  6. − Карпов И.В., Кшевецкий С.П. Механизм формирования крупномасштабных возмущений в верхней атмосфере от источников АГВ на поверхности Земли // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 54. № 4. С. 513–522. 2014.

  7. − Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovsky K.G. Meteorological effectsofionosphericdisturbancesfromverticalradiosounding data // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 136. P. 235–243. 2015.

  8. − Chou M.Y., Lin C.C.H., Yue J., et al. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016) // Geophys. Res. Lett. V. 44. № 3. P. 1219–1226. 2017.

  9. − Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Rev. Geophys. V. 41. № 1. P. 1–68. 2003.

  10. − Isaev N.V., Sorokin V.M., Chmyrev V.M. et al. Disturbance of the electric field in the ionosphere by sea storms and typhoons // Cosmic Res. V. 40. № 6. P. 547–553. 2002.

  11. − Karpov I., Kshevetskii S. Numerical study of heating the upper atmosphere by acoustic-gravity waves from a local source on the Earth’s surface and influence of this heating on the wave propagation conditions // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 164. P. 89–96. 2017.

  12. − Li W., Yue J., Yang Y. et al. Analysis of ionospheric disturbances associated with powerful cyclones in East Asia and North America // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 161. P. 43–54. 2017.

  13. − Li W., Yue J., Wu S. et al. Ionospheric responses to typhoons in Australia during 2005–2014 using GNSS and FORMOSAT-3/COSMIC measurements // GPS Solut. V. 22. № 61. 2018.

  14. − Martinis C.R., Manzano J.R. The influence of active meteorological systems on the ionosphere F region // Ann. Geofis. V. 42. № 1. P. 1–7. 1999.

  15. − Medvedev A.S., Gavrilov N.M. The nonlinear mechanism of gravity wave generation by meteorological motions in the atmosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 57. P. 1221–1231. 1995.

  16. − Plougonven R., Snyder Ch. Inertial gravity waves spontaneously generated by jets and fronts. Part I: Different Baroclinic Life Cycles // J. Atmos. Sci. V. 64. P. 2502–2520. 2007.

  17. − Plougonven R., Zhang F. Internal gravity waves from atmospheric jets and fronts // Rev. Geophys. V. 52. № 1. P. 33–76. 2014.

  18. − Polyakova A.S., Perevalova N.P. Comparative analysis of TEC disturbances over tropical cyclone zones in the north-west pacific ocean // Adv. Space Res. V. 52. P. 1416–1426. 2013.

  19. − Schubert G., Hickey M.P., Walterscheid R.L. Physical processes in acoustic wave heating of the thermosphere // J. Geophys. Res. V. 110. D07106. 2005.

  20. − Snively J.B., Pasko V.B. Breaking of thunderstorm-generated gravity waves as a source of short-period ducted waves at mesopause altitudes // Geophys. Res. Lett. V. 30. № 24. 2003.

  21. − Song Q., Ding F. et al. GPS detection of the ionospheric disturbances over China due to impacts of typhoon Rammasum and Matmo // J. Geophys. Res. V. 122. № 1. P. 1055–1063. 2016.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал