Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 5, стр. 608-618

1. ВВЕДЕНИЕ

Ионосферные бури/суббури (ИБ/ИСБ) в области F, связанные с развитием геомагнитных бурь/суббурь (ГБ/ГСБ), и физические механизмы их определяющие, изучаются давно и достаточно хорошо описаны (см. публикации [Matsushita, 1959; Rishbeth, 1991; Prölss, 1993, 1995; Mikhailov, 2000; Danilov and Laštovička, 2001; Деминов, 2015]). Основные черты ИБ в области F ионосферы в терминах изменений критической частоты обыкновенной волны F2-слоя ионосферы ( foF2), регистрируемой на наземной станции вертикального зондирования ионосферы (НСВЗИ), можно кратко суммировать следующим образом (см. исследования [Rishbeth, 1991; Prölss, 1995; Danilov and Laštovička, 2001]).

(1) Вскоре после начала ГБ величина foF 2 возрастает. Это так называемая положительная фаза ИБ. Она длится несколько часов.

(2) Спустя несколько часов начинается “главная или отрицательная фаза” бури, которая характеризуется сильным уменьшением foF2. Типичная продолжительность главной фазы составляет 24–36 ч.

(3) Иногда во время главной фазы бури, особенно в зимний сезон, foF2 может испытывать увеличение и превосходить свои значения в спокойные дни. Такой эффект имеет место в основном на низких широтах.

(4) Восстановление foF2 к своему невозмущенному уровню происходит в среднем через три дня после начала бури.

(5) На общий ход ИБ часто накладываются значительные сложные вариации, зависящие от местного (LT) и мирового (UT) времени, а также времени, отсчитываемого от начала бури.

Таким образом, если реакция F2-слоя ионосферы на ГБ описывается в терминах δfoF2, т.е. в относительных отклонениях текущего значения критической частоты регулярного F2-слоя ионосферы (foF 2_current) от месячной медианы, вычисленной по всем геомагнитно-спокойным дням месяца (foF2_medQ), то

Временнáя эволюция δfoF2 во время ИБ состоит из временны́ х промежутков с положительными (положительные фазы) и отрицательными (отрицательные фазы) отклонениями. Нередко вся ИБ состоит из единственной продолжительной положительной фазы, и в течение такой ионосферной бури δ foF2 ни в какой момент времени не становится отрицательной.

Как видно из формулы (1), при таком упрощенном подходе (именно он и используется далее в работе), который вполне оправдан для получения нужных количественных оценок в заданном узком диапазоне гелио-геофизических условий (зима, низкий уровень солнечной активности) и привязке к выбранной конкретно НСВЗИ WAKKANAI, в качестве “фона” выбрана медиана foF 2_medQ.

Здесь необходимо указать, что наиболее строгий и надежный способ построения регулярного (“фонового”) поведения foF2 в течение суток для спокойной среднеширотной ионосферы (модель Q-F2) в привязке к любой конкретной среднеширотной НСВЗИ для произвольного дня любых месяцев всех сезонов и любых уровней геомагнитной активности подробно описан в работе [Деминов и др., 2009] и реализован для НСВЗИ ИРКУТСК и SLOUGH. Эта модель, совместно с моделью IRI, позволяет также учесть наблюдаемые сильные возмущения foF2 спокойной среднеширотной ионосферы, не связанные с геомагнитной активностью – так называемые Q-возмущения (см. работы [Mikhailov et al., 2004, 2007a, b]). Детальное и подробное описание изменчивости параметров максимума F 2-слоя спокойной среднеширотной ионосферы при низкой солнечной активности дано в работах [Деминов и др., 2011а] (анализ статистических свойств изменчивости foF2 и hmF2 спокойной ионосферы при низкой солнечной активности для дневных (10–15 LT) и ночных (22–03 LT) часов) и [Деминов и др., 2011б] (анализ причин сильных и очень сильных изменений foF2 спокойной ионосферы ото дня ко дню на конкретных примерах).

Проявления ионосферной бури (т.е. ее количественные характеристики, наблюдаемые на конкретной НСВЗИ) могут быть сильно различающимися для одной и той же ионосферной бури в зависимости от географических и геомагнитных координат, местного времени начала геомагнитной бури и других факторов. При этом, с точки зрения поиска ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) (см. монографии [Липеровский и др., 1992; Pulinets and Boyarchuk, 2004; Pulinets and Ouzounov, 2019] и ссылки в них), (ИБ/ИСБ), связанные с (ГБ/ГСБ), являются важным фактором, который сильно ограничивает и затрудняет идентификацию возмущений ионосферы, предшествующих землетрясениям (ВИПЗ) как возможных истинных ИПЗ. Поэтому анализ ВИПЗ на их принадлежность к ИПЗ часто приходится проводить при довольно жестких ограничениях на уровень геомагнитной активности, чтобы избежать возможного одновременного наложения эффектов от литосферных и солнечно-магнитосферных источников. Это, в свою очередь, резко уменьшает массив землетрясений, которые можно исследовать на предмет наличия перед ними ИПЗ. Для расширения возможностей изучения сейсмоионосферных эффектов, весьма желательно количественно оценить величину и временнóй ход ионосферных возмущений (ИВ) в конкретно выбранном сейсмоактивном регионе, возникающих в период развития геомагнитных возмущений (ГВ). Под геомагнитными возмущениями мы будем понимать такие проявления геомагнитной активности, когда ее интенсивность не превышает порогового уровня, характерного для слабых геомагнитных бурь (СлГБ), но превосходит “спокойный” геомагнитный фон (здесь и далее термин “геомагнитные возмущения” (ГВ) используется для краткости и подчеркивает существенно меньшую интенсивность соответствующих индексов магнитной активности для таких периодов по сравнению с наблюдаемыми во время ГБ. Строго говоря, ГБ также является геомагнитным возмущением). В частности, такой анализ (не связанный с изучением сейсмоионосферных эффектов) проявлений авроральной (суббуревой) активности в ионосфере средних широт, которые были обусловлены прохождением перемещающихся атмосферных возмущений (traveling atmospheric disturbances, TAD’s), выполнен в работе [Mikhailov and Perrone, 2009]. Такие же исследования в “привязке” к НСВЗИ, расположенной в подходящем месте, могут быть ценным подспорьем при поиске ИПЗ с точки зрения “отсева” ложных ИПЗ. Конкретный пример сопоставления ИВ, обусловленного небольшим ростом геомагнитной активности с другим ИВ, имеющим, по-видимому, сейсмогенную природу, приведен в работе [Легенька и др., 2016]. В этом исследовании по данным НСВЗИ WAKKANAI было выделено два ИВ перед сильным землетрясением с магнитудой М = 6.8, которое произошло в регионе Японии вблизи о-ва Хоккайдо 11.09.2008 г. Одно из ИВ наблюдалось примерно за сутки до подземного толчка и было связано с незначительным ростом планетарной геомагнитной активности (последовало сразу за повышением значений планетарного Kp-индекса до уровня 3), а другое проявилось за ~0.5 сут до землетрясения на очень спокойном геомагнитном фоне (Kp ≤ 1₀) и явилось его вероятным ионосферным предвестником (ИПЗ).

Ясно, что важнейшую роль в оценке интенсивности ионосферной бури/ионосферного возмущения, обусловленного конкретной/ым геомагнитной бурей/геомагнитным возмущением, в терминах foF2 играет способ задания ее фоновых значений и соответствующих им уровней геомагнитной активности, определяемых в соответствии с индексами геомагнитной активности (Dst, Kp и AE). Поэтому становится необходимым достаточно точно количественно определить понятие “геомагнитно-спокойные условия”, исходя из имеющихся на данный момент наиболее подходящих классификаций.

Количественная классификация геомагнитных бурь по Dst-индексу (с учетом соответствующих ему индексов Kp и AE) на основе обработки данных методом наложения “эпох” (описание метода наложения “эпох” применительно к геофизическим данным см., например, в монографии [Дорман, 1972], а применительно к морфологическим исследованиям ИБ, обусловленными соответствующими ГБ, в статье [Matsushita, 1959]) была предложена в работе [Loewe and Prölss, 1997], в которой было обработано более 1000 магнитных бурь различной силы, произошедших в интервале с 1957 г. по 1993 г. Отсчетной точкой при этом был выбран момент (общий для всех “эпох”) достижения Dst-индексом своего экстремального отрицательного значения для каждой индивидуальной ГБ. Далее в нашей работе мы, в качестве основы, будем использовать именно эту классификацию, дополнив ее классом геомагнитных возмущений (ГВ), который занимает промежуточное место между спокойным геомагнитным фоном и слабыми геомагнитными бурями (СлГБ), при этом необходимые количественные характеристики будут определены в следующем разделе конкретно.

Таким образом, сопоставительный анализ методом наложения “эпох” амплитуд относительных возмущений foF2 (δ foF2) в ионосфере, возникающих в результате развития геомагнитных бурь (ГБ) и, в основном, геомагнитных возмущений (ГВ) по данным среднеширотной НСВЗИ WAKKANAI (Япония, географические координаты φ = 45.2° N, λ = 141.8° E), расположенной в сейсмоактивном регионе, в зимние периоды и низкой активности Солнца является целью проведенного ниже исследования.

Здесь необходимо оговорить, что применяемая далее методика использует подход, развитый ранее в оригинальной работе [Matsushita, 1959], посвященной морфологическому изучению ионосферных бурь (ИБ), вызванных магнитными бурями. Однако, наша работа не включает в себя исследование зависимости ионосферных эффектов от времени начала ГБ или ГВ по местному времени (LT), которые полностью усредняются. Как показано в работе [Matsushita, 1959], ионосферные эффекты, вызываемые слабыми ГБ с внезапным началом (sudden commencements, SC и которые будут умеренными (УГБ) по классификации [Loewe and Prölss, 1997], приведенной далее) и обусловленные местным временем начала ГБ в зоне номер 5, к которой отнесена НСВЗИ WAKKANAI, дают вклад в вариацию δfoF2, максимальная величина которого будет менее 4% (см. Fig. 5 статьи [Matsushita, 1959], с учетом того, что 2δfoF2 = δNmF2). При этом слабые бури (на ранг ниже) по классификации [Loewe and Prölss, 1997] (СлГБ) и ещe менее интенсивные ГВ (по введенной нами ниже расширенной шкале) в этой работе не рассматривались.

2. ОТБОР ДАННЫХ И ПАРАМЕТРЫ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ/ВОЗМУЩЕНИЙ

Из работ [Rishbeth and Mendillo, 2001; Обридко и др., 2013; Kim and Hegai, 2016] следует, с одной стороны, что минимальные уровни геомагнитной активности наблюдаются в зимние месяцы (декабрь, январь), при этом минимум приходится на декабрь месяц. Это означает, что именно в эти месяцы ионосфера наиболее близка к своему спокойному “фоновому” состоянию. С другой стороны, геомагнитная активность также, в целом, хорошо коррелирует с солнечной активностью (см. статью [Обридко и др., 2013]). Таким образом, в зимние месяцы (декабрь и январь) в годы низкой солнечной активности должно наблюдаться наибольшее число геомагнитно-спокойных дней, по которым можно будет рассчитывать “фоновые” характеристики ионосферы (в нашем случае foF2_medQ).

Следуя монографии [Фаткуллин и др., 1981], определим уровень солнечной активности как низкий, когда среднемесячный поток солнечного излучения на длине волны 10.7 см (F10.7) удовлетворяет условию F10.7 ≤ 100 SFU (solar flux units, 1SFU = 10^–22 Вт м^–2 Гц^–1).

Далее, согласно классификации, данной в работе [Loewe and Prölss, 1997]:

I – для слабых геомагнитных бурь (СлГБ) Dst_min ∈ ∈ [–50; –30) нТл;

II – для умеренных геомагнитных бурь (УГБ) Dst_min ∈ [–100; –50) нТл;

III – для сильных геомагнитных бурь (СГБ) Dst_min ∈ [–200; –100) нТл;

IV – для очень сильных геомагнитных бурь (ОСГБ) Dst_min ∈ [–350; –200) нТл;

V – для экстремальных геомагнитных бурь (ЭГБ) Dst_min < –350 нТл.

В эту классификацию не были включены геомагнитные возмущения (ГВ), которые могут быть важны в определенных случаях (например, при изучении тропосферных и литосферных источников ионосферных возмущений), и влияние которых на ионосферу в достаточно узком диапазоне геофизических условий (зима, низкая солнечная активность, привязка к одной конкретной НСВЗИ WAKKANAI) будет исследовано в настоящей работе. Ниже мы будем полагать, что диапазон Dst_min для ГВ определен интервалом [–30; –10) нТл, при условии, что Kp ≥ 3_– в момент начала развития ГВ. Спокойный геомагнитный фон отвечает условию, когда величина планетарного Kp-индекса не превосходит значения 2₊ и при этом Dst_min ≥ – 20 нТл. Таким образом, в геомагнитно-спокойный день (quiet, Q) Kp ∈ [0; 2₊] во все трехчасовые интервалы суток.

В соответствии с этими критериями на интервале с 1965 г. по 2011 г. были отобраны январи и декабри месяцы (всего 21 мес.) нужных годов, в которые и проводилось сравнение ионосферных эффектов геомагнитных бурь и геомагнитных возмущений на высотах F2-слоя ионосферы. Ниже в табл. 1 числа указывают количество рассмотренных индивидуальных событий (ГБ или ГВ) в соответствующих месяцах выбранных годов (всего 63 случая).

Сразу следует отметить, что в выбранных месяцах не наблюдалось ГБ классов IV, V и произошло всего 2 ГБ класса III, что также свидетельствует в пользу правильности выбора для рассмотрения указанных максимально геомагнитно-спокойных периодов. Соответственно, в последующий анализ было включено 15 УГБ (класс II), 14 СлГБ (класс I) и 34 ГВ.

3. ФОНОВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИОНОСФЕРНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СОБЫТИЙ ГБ/ГВ

Задание фоновых распределений в настоящей работе (медианных суточных ходов foF2_med) для получения текущих относительных вариаций δfoF2, помимо описанных выше в разделе 2 критериев низкой солнечной и геомагнитной активностей, учитывает также еще два аспекта – однородность медианных значений в пределах сезона и задание медианного фона по геомагнитно-спокойным дням соответствующего месяца (foF2_medQ), как они определены в разделе 2.

На рисунке 1, в качестве иллюстрации, приведено сравнение месячных медиан foF2_med для декабря 2007 г. (сплошная линия), января 2008 г. (штриховая линия) и февраля 2008 г. (штрихпунктирная линия). Хорошо видно, что медианы декабря 2007 г. и января 2008 г. близки друг к другу во всем суточном диапазоне времени, тогда как февральская медиана, будучи им подобной, проходит систематически всюду выше (в среднем на 12%), начиная с 04:00 UT. Сходная картина наблюдается и для других смежных годов, свидетельствуя о переходе к весеннему сезону, кроме этого в феврале в среднем возрастает и геомагнитная активность [Kim and Hegai, 2016]. В целях повышения однородности исходных данных февральские месяцы зимних сезонов не рассматривались.

Рис. 1.

Сравнение суточных вариаций месячных медиан foF2_med по данным НСВЗИ WAKKANAI для трех месяцев зимнего сезона: декабрь 2007 г. – сплошная линия, январь 2008 г. – штриховая линия, февраль 2008 – штрихпунктирная линия. Затемненный прямоугольник под осью абсцисс отмечает интервал с 18:00 до 06:00 ч по местному (LT) времени.

Рисунок 2 отображает соотношение между суточной медианой по спокойным дням месяца (штрихпунктирная линия) и месячной медианой (сплошная линия), усредненными за 21 мес. Видно, что наблюдаемое различие невелико и максимальное различие составляет ~ 5%, при этом средняя месячная медиана почти всюду лежит немного выше средней суточной медианы по спокойным дням месяца. Здесь вновь отметим, что в дальнейшем нами в качестве фонового (реперного) суточного распределения критической частоты регулярного F2-слоя ионосферы всегда используется именно суточная медиана по спокойным дням соответствующего месяца foF2_medQ, как это было уже указано выше. Число таких геомагнитно-спокойных дней в пределах месяца (когда Kp ∈ [0; 2₊] во все трехчасовые интервалы суток) колебалось от 6 до 21 и составляло 12 дней в среднем.

Рис. 2.

Сравнение месячной медианы (foF2_med, сплошная линия) с медианой, рассчитанной по спокойным дням соответствующих месяцев (foF2_medQ, штрихпунктирная линия), усредненными за 21 мес. Затемненный прямоугольник под осью абсцисс отмечает интервал с 18:00 до 06:00 ч по местному (LT) времени.

Первичная обработка ионосферных данных для индивидуальных событий (ГБ или ГВ) проводилась следующим образом. Сначала выбирался непрерывный четырехсуточный интервал, первые сутки которого обязательно включали в себя начало развития ГБ или ГВ по индексам Dst, Kp и AE. Затем на нем выстраивались вариации δfoF2, в соответствии с формулой (1). Пример такой первичной обработки ионосферных данных для СлГБ в интервале с 06.01.2011 г. по 09.01.2011 г. приведен на рис. 3, где ежечасные ионосферные данные сглажены по трем точкам.

Рис. 3.

Пример первичной обработки исходных ионосферных данных для СлГБ 06–09 января 2011 г. На панелях рисунка (а) и (в) показаны соответственно суточные часовые изменения индексов Dst и АЕ, на панели (б) – вариации трехчасового индекса Kр, а на нижней панели (г) приведены отклонения δfoF2. Затемненные прямоугольники под осью абсцисс соответствуют неосвещенным часам по местному времени. Вертикальная штрихпунктирная линия соответствует началу развития СлГБ (момент начала одновременного роста АЕ- и Kр-индексов), а вертикальная штриховая линия – экстремуму Dst_min.

Полученные таким образом четырехсуточные “отрезки” вариаций δfoF2 были затем распределены по группам УГБ (15 случаев-“эпох”), СлГБ (14 случаев-“эпох”) и, наконец, ГВ (34 случая-“эпохи”), которые далее использовались для наложения друг на друга с определением момента начала “эпохи” как нулевого часа первых суток, в которых начинает развиваться ГБ/ГВ, и/или часа, соответствующего максимальному отрицательному экстремуму индекса Dst.

Таким образом, в отличие от интервала, взятого в работе [Matsushita, 1959] (от –6 ч до 71 ч с началом “эпохи” (0 ч) в момент SC (sudden commencements) с “шагом” в один час), мы используем либо более широкий четырехсуточный интервал [0, 95] ч с началом “эпохи” в 0 ч первого дня, когда начинает развиваться ГБ/ГВ, либо интервал от –6 ч до 95 ч с началом “эпохи” (0 ч) в момент максимального отрицательного экстремума Dst-индекса. Такую модификацию методики работы [Matsushita, 1959] следует принять потому, что мы рассматриваем также и ГБ без SC, и тем более ГВ, часто развивающиеся очень постепенно. Основной вопрос, который необходимо выяснить на предварительном этапе изучения ионосферных эффектов ГБ/ГВ сравнительно малой интенсивности состоит в том, будут ли выделяться (и накапливаться!) существенные систематические отклонения в ионосфере и их знак в зависимости от выбранного момента начала “эпохи”. Ниже приведены полученные описанным выше образом результаты.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 4 представлены результаты обработки ежечасных измерений на НСВЗИ WAKKANAI критической частоты регулярного F2-слоя ионосферы (временны́ е вариации δfoF2) в выбранные периоды времени (см. раздел 2) для группы из 34 ГВ, полученные методом “наложения эпох”.

Рис. 4.

Временны́ е вариации δfoF2 для группы из 34 ГВ, полученные методом наложения “эпох”. На панели (а) сплошной линией представлена средняя кривая δfoF2 для 34 индивидуальных событий, когда началом “эпохи” является нулевой час первых суток, захватывающих начало развития ГВ. Штрихпунктирной линией представлен фон. Штриховые горизонтальные линии отмечают абсолютную величину в два стандартных отклонения (2σ ≅ 6%), которое было вычислено на четырехсуточном интервале для фоновой кривой. Панель (б) аналогична панели (а), однако здесь в качестве момента начала “эпохи” выбран не нулевой час первых суток, захватывающих начало развития ГВ, а час (отмечен вертикальной штриховой линией), который отвечает моменту времени экстремума Dst_min и относительно которого построены усредненные по ансамблю из 34 событий вариации δfoF2, границы фона взяты теми же, что и на панели (а). Участки кривых на обеих панелях, на которых они систематически превышают верхнюю границу фона, затемнены.

На панели (а) сплошной линией представлена средняя кривая δfoF2 для 34 индивидуальных событий, когда началом “эпохи” является нулевой час первых суток, захватывающих начало развития ГВ. Штрихпунктирной линией представлен фон, который был получен следующим образом: из 21 рассмотренных месяцев было выбрано 15 месяцев, в каждом из которых наблюдалось 4 геомагнитно-спокойных дня подряд и временны́ е вариации δfoF2 на этих отрезках составили 15 “эпох”, в результате наложения и усреднения которых и была получена средняя фоновая кривая. Штриховые горизонтальные линии отмечают абсолютную величину в два стандартных отклонения (2σ ≅ 6%), которое было вычислено на четырехсуточном интервале для фоновой кривой. Видно, что положительные отклонения систематически превышают верхнюю границу фона (≅6%) в течение ~19 ч (этот участок кривой затемнен), начиная с 7 ч вторых суток, при этом максимальное отклонение составляет ~14% вблизи 14 ч вторых суток.

Панель (б) устроена аналогично панели (а), однако здесь в качестве момента начала “эпохи” выбран не нулевой час первых суток, захватывающих начало развития ГВ, а час (отмечен вертикальной штриховой линией), который соответствует моменту времени экстремума Dst_min. Далее будем называть представленные таким образом изменения δfoF2 с течением времени, полученные методом наложения “эпох”, Dst-вариацией δfoF2 (см. также монографию [Ришбет и Гарриот, 1975]). Границы фона взяты теми же, что и на панели (а).

Здесь систематическое превышение верхней границы фона Dst-вариацией δfoF2 (затемнено) наблюдается также через 7 ч от начала “эпохи” и длится ~18 ч. Максимальное отклонение составляет ~13% и соответствует ~11 ч на оси времени. Хорошо видно, что на всем протяжении четырехсуточного интервала от начала “эпохи” Dst-вариация δfoF2, построенная для выделенной группы ГВ из 34 событий, положительна. Более того, превышение верхней границы изменений δfoF2, принятых в качестве фона, наблюдается исключительно в первые сутки от начала “эпохи”. Далее δfoF2 ведет себя примерно одинаково в течение двух последующих суток и колеблется от нуля до верхней границы фона, а на четвертые сутки, оставаясь положительной, не выходит за границы одного стандартного отклонения (σ).

На рисунке 5 приведено сравнение Dst-вариаций δfoF2, полученных методом наложения “эпох” в привязке к моменту времени экстремума Dst_min, для УГБ (панель (а), 15 индивидуальных событий), СлГБ (панель (б), 14 индивидуальных событий) и ГВ (панель (в), 34 индивидуальных события). Штрихпунктирные горизонтальные линии, как и прежде, отмечают границы фона, а все обозначения соответствуют своим аналогам рис. 4, панели (б). Отрицательные значения Dst-вариации δfoF2 для УГБ в течение третьих суток от начала “эпохи” на панели (а) затемнены.

Рис. 5.

Dst-вариации δfoF2, полученные методом наложения “эпох” в привязке к моменту времени экстремума Dst_min для УГБ (а), СлГБ (б) и ГВ (в). Штрихпунктирные горизонтальные линии отмечают границы фона, все другие обозначения соответствуют своим аналогам рис. 4, панели (б). Отрицательные значения Dst-вариации δfoF2 для УГБ в течение третьих суток от начала “эпохи” на панели (а) затемнены.

Основное различие в поведении Dst-вариаций δfoF2 между УГБ и СлГБ/ГВ отчетливо проявляется в том, что для УГБ на третьи сутки после начала “эпохи” Dst-вариация δfoF2 становится отрицательной, тогда как для СлГБ/ГВ она остается положительной. Полученные выше количественные характеристики по Dst-вариациям δfoF2 для УГБ удовлетворительно согласуются с результатами, приведенными в статье [Matsushita, 1959] для слабых бурь (“weak storm”) по принятой в ней классификации. Менее интенсивные ГБ/ГВ, как это указано ранее, в этой работе не рассматривались.

Наличие отрицательной фазы в случае достаточно интенсивной ионосферной бури, обусловленной соответствующей ГБ, на средних широтах обычно связывают, в основном, с изменениями температуры, состава и плотности термосферы (см., например, публикацию [Mikhailov, 2000]). Максимальное положительное отклонение Dst-вариаций δfoF2 как для УГБ, так и для СлГБ составляет ~17% и достигается в первые сутки после начала “эпохи”. Согласно классификации, данной в энциклопедической статье [Михайлов, 2009], ионосферные возмущения, соответствующие Dst-вариации δfoF2 для УГБ, относятся к возмущениям второго типа, т. е. более коротким, но имеющим большую амплитуду, а ИВ, связанные со СлГБ и ГВ, подпадают под описание возмущений первого типа, когда по завершении активной фазы увеличенные возмущения foF2 сохраняются в течение многих часов, и возмущение повторяется через 24 ч, но с меньшей амплитудой. При этом в образовании возмущений обоих типов оказываются задействованы, в основном, два физических механизма – увеличение концентрации атомарного кислорода и изменение вертикальной скорости дрейфа плазмы под влиянием возмущений скорости фонового меридионального нейтрального ветра, обусловленных пакетами крупномасштабных акустико-гравитационных волн, генерируемых в авроральной зоне и приходящих в средние широты.

Приведенный ниже рис. 6 на примере конкретной слабой геомагнитной бури (СлГБ) иллюстрирует соответствие “шаблона” (толстая штриховая линия), полученного нами методом наложения “эпох”, наблюдаемой Dst-вариации δfoF2 для конкретно заданной СлГБ 10–13 декабря 1987 г. (сплошная линия). Штрихпунктирными линиями показана “полоса” разброса для спокойного геомагнитного фона, показанного ранее на рис. 4а, а вертикальная штриховая линия со стрелкой отмечает момент отрицательного экстремума Dst-индекса. Хорошо прослеживается подобие “шаблона” и конкретной Dst-вариации δfoF2, особенно в первые 20 ч от начала “эпохи”.

Рис. 6.

Верхняя панель: поведение Dst-индекса для СлГБ 10–13 декабря 1987 г. (сплошная линия). Нижняя панель: текущая Dst-вариация δ foF2 (сплошная линия) и “шаблон” Dst-вариации δ foF2 (толстая штриховая линия), полученный методом наложения “эпох”. Штрихпунктирными линиями показана “полоса” разброса для спокойного геомагнитного фона, показанного ранее на рис. 4а, а вертикальная штриховая линия со стрелкой отмечает момент отрицательного экстремума Dst-индекса.

В полученной в настоящем исследовании морфологической картине ИВ (которая согласуется с имеющимися общими представлениями об их природе, см. работы [Михайлов, 2009; Деминов, 2015]) основной акцент сделан на ИВ, наблюдающихся в период существования ГВ (т. е. относительно слабых возмущений геомагнитного поля) с целью определения их количественных характеристик в привязке к конкретным гелио-геофизическим условиям (зима, низкая солнечная активность) и местоположению НСВЗИ WAKKANAI, в окрестности которой достаточно часто случаются сильные землетрясения с магнитудой М ≥ 6.0. Это позволит в будущем увеличить надежность идентификации при выявлении возможных ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) по ее ионосферным данным при анализе возмущений ионосферы, предшествующих землетрясениям (ВИПЗ), когда станция входит в зону подготовки подходящего землетрясения в периоды повышенной геомагнитной активности.

Действительно, во-первых, если при анализе ВИПЗ на НСВЗИ WAKKANAI будет обнаружено отрицательное возмущение на фоне развития ГВ в период подготовки соответствующего землетрясения, то это будет свидетельствовать в пользу того, что наблюдаемое возмущение имеет, скорее всего, сейсмогенную природу. Во-вторых, в случае обнаружения положительного возмущения, нами определена приближенно верхняя граница того вклада, который может внести в соответствующий период усиление геомагнитной активности. Результаты обработки нашего (достаточно ограниченного) массива данных дают оценку максимальной величины такого вклада в δfoF2 в зимние периоды (декабрь и январь месяцы) и при низкой активности Солнца ~14% для ГВ и ~17% для УГБ/СлГБ. Таким образом, можно будет проводить отсев ложных ИПЗ (даже если нет возможности выбрать подходящую контрольную НСВЗИ) на основе полученных оценок.

5. ВЫВОДЫ

1. На основе метода наложения “эпох” выполнен сопоставительный анализ данных измерений критической частоты регулярного F2-слоя ионосферы (foF2), проведенных на среднеширотной наземной станции вертикального зондирования ионосферы (НСВЗИ) WAKKANAI в зимние периоды (декабрь и январь) при низкой активности Солнца и определены количественные характеристики ионосферных возмущений в ионосфере (ИВ), возникающих в результате развития умеренных и слабых геомагнитных бурь (УГБ и СлГБ), а также геомагнитных возмущений (ГВ).

2. Установлено, что в указанном узком диапазоне гелиогеофизических условий для НСВЗИ WAKKANAI слабые геомагнитные бури (СлГБ) и геомагнитные возмущения (ГВ) на интервале от начала “эпохи” (по моменту основного минимума в Dst-индексе) до трех суток систематически приводят только к положительным отклонениям foF2. При этом максимальные относительные отклонения от фона (δfoF2) составляют ~17% и ~14% соответственно. Для ГВ наиболее существенная реакция ионосферы наблюдается примерно через 7 ч от начала “эпохи”. Для умеренных геомагнитных бурь (УГБ), количественные характеристики связанных с ними положительных возмущений δfoF2 ионосферы близки к наблюдающимся в течение СлГБ (максимальные относительные отклонения ~17%), однако на третьи сутки после начала “эпохи” отчетливо проявляются и отрицательные относительные отклонения δfoF2 в пределах до 5%.

3. Полученные количественные характеристики могут быть использованы для отсева ложных ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) при анализе ВИПЗ на НСВЗИ WAKKANAI, расположенной в сейсмоактивной области в регионе Японии, в периоды повышенной геомагнитной активности, когда интенсивность ее колеблется от уровня геомагнитных возмущений (ГВ) до уровня умеренных геомагнитных бурь (УГБ).