Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 3, стр. 336-346

Планетарные вариации высоты максимума слоя F2 в периоды ионосферных возмущений

Н. П. Сергеенко 1*, А. Х. Депуева 1**

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

* E-mail: serg@izmiran.ru
** E-mail: depueva@izmiran.ru

Поступила в редакцию 21.10.2020
После доработки 26.12.2020
Принята к публикации 28.01.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

На большом массиве экспериментальных данных по наблюдениям ионосферных станций, расположенных в различных регионах земного шара, рассмотрены вариации высоты максимума слоя F2 в периоды ионосферных возмущений солнечного и магнитосферного происхождения. Предложен алгоритм расчета hmF2, описывающий поведение высоты в любой точке Земли в зависимости от текущей солнечной и геомагнитной активности. Метод основан на выделении и математическом описании регулярных возмущенных вариаций hmF2 с учетом широтно-долготных особенностей, разных уровней солнечной и магнитной активности и северо-южной асимметрии. Оценена точность алгоритма. Простое математическое обеспечение делает методику удобной для оперативного использования в прикладных задачах.

1. ВВЕДЕНИЕ

Динамика ионосферной плазмы тесно связана с динамикой нейтральных частиц. Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований показывают, что параметры слоя F2 существенно влияют на систему ветров. С другой стороны, ветры также оказывают воздействие на слой F2, причем наиболее эффективной в этом отношении является меридиональная компонента скорости ветра. В первом приближении слой F2 в целом будет смещаться вверх или вниз по силовой линии в зависимости от направления меридионального ветра. Особенно это видно во время магнитосферных бурь, когда вертикальные потоки плазмы приводят к сильным изменениям всего глобального распределения foF2 и hmF2 [Брюнелли и Намгаладзе, 1988]. Усиление или ослабление горизонтального ветра через индуцированный им вертикальный дрейф поднимает, или опускает максимум слоя F2 в область более слабой или более сильной рекомбинации и тем самым влияет на величину foF2. При этом между изменениями величин foF2 и hmF2 наблюдается, как правило, прямая зависимость [Rishbeth, 1998].

Также в динамике ионосферой плазмы значительную роль играют генерируемые в авроральной зоне внутренние гравитационные волны ВГВ [Гончарова и др., 1987]. В период прохождения ВГВ в ионосфере отмечается понижение критических частот (Δ foF2 ~ 0.5–2 МГц) и повышение высоты максимума слоя F2 (ΔhmF2 ~ 50–150 км), причем эти изменения происходят в противофазе. Этот процесс длится днем 1–3 ч, а ночью 3–5 ч и распространяется от авроральной зоны днем со скоростью 300–500 м/с, ночью 700–1000 м/с, вызывая в ионосфере крупномасштабные возмущения с длиной волны в горизонтальном направлении порядка 2000–8000 км.

Помимо термосферных ветров на вертикальный перенос ионосферной плазмы влияют также электрические поля. Электрические поля особенно велики в высоких широтах, где их влияние приводит к появлению крупномасштабных неоднородностей ионосферной плазмы. На широтах к экватору величины электрических полей и их влияние ослабевают, тем не менее, оно таково, что дополнительно способствует формированию возмущений.

В работе рассматриваются ионосферные бури и суббури гелиогеомагнитного происхождения. Технически ионосферные возмущения определяются по отклонениям ионосферных параметров от их спокойного суточного хода. Возмущения, имеют характерные временны́е масштабы от нескольких часов до 1–3 сут, на пике солнечной активности могут длиться даже до 10 дней и проявляются на расстояниях в сотни и тысячи километров. Возмущения области F развиваются глобально и характеризуются изменением критических частот и высот F2-слоя. В среднем возмущения в слое F2 происходят 1–3 раза в месяц, частота их появления выше в годы максимальной солнечной активности, чем при низкой солнечной активности.

Трудности в создании эмпирической модели динамики высоты максимума слоя F2 во время возмущений связаны с отсутствием достаточно полного и однородного массива данных. К тому же hmF2 не измеряется напрямую при вертикальном зондировании, а данные некогерентного рассеяния эпизодичные и не всегда доступные.

Тем не менее, определенные успехи в эмпирическом моделировании достигнуты. Несмотря на индивидуальность каждого отдельного возмущения, удается выделить статистическими методами общие черты.

2. АНАЛИЗ ДАННЫХ

2.1. Спокойные вариации hmF2q

Вариации высоты максимума слоя F2 в спокойных условиях могут быть определены из экспериментальных данных путем пересчета действующих высот в истинные или определены из существующих моделей. Например, в модели IRI 2016 для расчета высоты hmF2 можно использовать на выбор три модели:

– AMTB 2013 [Altadill et al., 2012], построенную по данным 26 дигизондов, распределенных по всему земному шару, за период 1998–2006 гг.

– SMF2 – модель ИЗМИРАН и ИПГ, разработанную по данным внешнего зондирования и данных радиозатменных измерений [Лапшин и др., 2016].

– BSE 1979 [Bilitza et al., 1979], в которой высота hmF2 рассчитывается через параметр М(3000)F2 по формуле hmF2 = (1490/(M(3000)F2 + + (F1F4/(foF2/fоEF2)) + F3)) – 176, где F1 = = 0.00232W + 0.222; F2 = 1.2 – 0.0116exp(0.0239W); F3 = 0.00064(W – 25); F4 = 1 – (W/150)  × × exp(–φ2/1600); φ – геомагнитная широта; W – число солнечных пятен; foF2 и foE – медианные значения соответствующих критических частот [Shimazaki, 1957; Bilitza and Eyfrig, 1979]. Для расчета необходимы данные вертикального зондирования M(3000), foF2, fоE, которые представлены нерегулярно на станциях ВЗ и их нет на не оснащенных ионосферными станциями ВЗ территориях.

В данной работе высота максимума электронной концентрации слоя F2 в спокойных условиях рассчитывалась по модели [Ching and Chiu, 1973; Chiu, 1975]. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, представленная нами методика расчета высоты во время возмущений разрабатывалась по данным вертикального зондирования, модель Ching и Chiu тоже построена на данных вертикального зондирования. Использование однородных баз данных объясняет использованиe именно модели Ching и Chiu. Во-вторых, погрешность нашей методики определяется главным образом тем, на сколько наблюдаемое возмущение отклоняется от среднего формализованного вида возмущения в слое F2 (отрицательного, положительного, двухфазного, его продолжительности и т.д.). Любая более современная медианная модель для расчета hmF2 не сильно уменьшила бы погрешность алгоритма. Поэтому высота максимума электронной концентрации слоя F2 в спокойных условиях в данной работе определялась по простому алгоритму [Ching and Chiu, 1973; Chiu, 1975]:

$\begin{gathered} hmF{{2}_{q}} = 240 + 0.75W + 0.83W{\text{sin}}\delta {\text{sin}}\varphi {\text{cos}}\varphi + \\ + \,\,30{\text{cos}}(t - 4.5\left| \varphi \right| - \pi ) + {{10{\text{cos}}\varphi {\text{cos}}\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{10{\text{cos}}\varphi {\text{cos}}\pi } 3}} \right. \kern-0em} 3}(D - 4.5), \\ \end{gathered} $

где W – среднемесячное число Вольфа; δ – солнечное склонение; φ – геомагнитная широта в радианах; t – местное время; D – номер дня года, измеренный от 15 декабря предыдущего года.

Эта модель описывает вариации высоты в спокойных условиях в диапазоне широт 20°–40° N и долгот 60°–130° W.

2.2. Возмущенные вариации $\Delta \overline {hmF2} $

Значения $\Delta \overline {hmF2} $ в возмущенных условиях в данной работе представлялись следующим образом:

(1)
$\begin{gathered} \Delta \overline {hmF2} = {{\overline {\Delta h} }_{\varphi }}(\varphi ) + {{\overline {\Delta h} }_{\lambda }}(\varphi ,\lambda ) + {{\overline {\Delta h} }_{s}}(\varphi ,\lambda ) + \\ + \,\,{{\overline {\Delta h} }_{W}}(\varphi ,\lambda ,W) + \delta hmF{\text{2(}}АЕ{\text{)}}, \\ \end{gathered} $
где ${{\overline {\Delta h} }_{\varphi }}(\varphi )$ – широтные вариации hmF2; ${{\overline {\Delta h} }_{\lambda }}(\varphi ,\lambda )$ – член, учитывающий долготные изменения hmF2; ${{\overline {\Delta h} }_{s}}(\varphi ,\lambda )$ описывает асимметрию изменений hmF2 в севером и южном полушариях; ${{\overline {\Delta h} }_{W}}(\varphi ,\lambda ,W)$ учитывает зависимость возмущенных вариаций от солнечной активности; δhmF2(АЕ) – поправка на текущую геомагнитную активность, выражаемую АЕ-индексом. Для описания суточных вариаций ΔhmF2 использовалось разложение в гармонический ряд, для аппроксимации пространственных вариаций применялось разложение по степенным ортогональным полиномам Лежандра.

Использовался массив экспериментальных данных hmF2 (пересчитанные с ионограмм вертикального зондирования ежечасные значения hmF2) за периоды очень больших, больших и умеренных ионосферных возмущений за период 1957–1980 гг. по наблюдениям 10 отечественных станций, расположенных в разных регионах. Также использовались ежечасные данные hmF2 по данным 27 зарубежных станций, имевшихся в мировых центрах данных. Интенсивность ионосферного возмущения оценивалась по параметру δfoF2 = (foF2тек– foF2мед)/foF2мед. Параметр δfoF2 используется в краткосрочном ионосферном прогнозировании как индекс ионосферных возмущений [Зевакина и др., 1990].

Для описания широтного поведения $\Delta \overline {hmF2} $ в планетарном масштабе на первом этапе использована цепочка из 12 станций американского региона в окрестности географической долготы λ = = 75° W на геомагнитных широтах φ = 1° S–88° N. Для анализа были отобраны периоды времени, когда наблюдалось ~60 очень больших, больших и умеренных ионосферных бурь. Количественная оценка интенсивности ионосферных возмущений приведена в табл. 1.

Таблица 1.  

Количественная оценка интенсивности ионосферных возмущений

Широты Спокойные условия Умеренные возмущения Большие возмущения Очень большие возмущения
Высокие, средние foF2| < 20% |δfoF2| ≥ 25% |δfoF2| ≥ 35% |δfoF2| ≥ 45%
Низкие foF2| < 15% |δfoF2| ≥ 20% |δfoF2| ≥ 30% |δfoF2| ≥ 40%

На рисунке 1 представлены усредненные по местному времени суточные вариации $\Delta \overline {hmF2} $ – отдельно для лета, равноденствия и зимы. Сплошными линиями представлены модельные расчеты, пунктирные линии представляют разницу между наблюденными возмущенными и спокойными значениями hmF2. Видно, что с уменьшением широты характер суточного хода постепенно меняется. Для высоких и приэкваториальных широт функции $\Delta \overline {hmF2} $ противофазны.

Рис. 1.

Суточные вариации $\overline {\Delta mF2} $ для сезонов лета, равноденствия, зимы широтой цепочки станций западного полушария.

Зависимость $\Delta \overline {hmF2} $ от местного времени t, геомагнитной широты φ и сезона М может быть представлена в формульном виде [Кулешова и Сергеенко, 1983; Кулешова и др., 1984], но с невысокой точностью. Поэтому в настоящей работе принцип построения функции $\Delta \overline {hmF2} $(t, φ, М) следующий. Суточный ход $\Delta \overline {hmF2} $ аппроксимировался гармоническим рядом

(2)
$\Delta \overline {hmF2} (t) = \sum\limits_{j = 1}^n {{{A}_{j}}\left( {I,L} \right)\Psi \left( I \right)} ,$
где

$\begin{gathered} \Psi \left( I \right) = \left\{ \begin{gathered} \frac{{\sqrt 2 }}{2},\,\,\,\,I = 1 \hfill \\ \cos j\frac{{\pi t}}{{12}},\,\,\,\,I = 2j,\,\,\,\,j = 1{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 4 \hfill \\ \sin \frac{{\pi t}}{{12}},\,\,\,\,I = 2j + 1,\,\,\,\,j = 1{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 4, \hfill \\ \end{gathered} \right. \\ A(I,L) = \frac{1}{{12}}\sum\limits_{I{\kern 1pt} = {\kern 1pt} 0}^{23} {\Delta {{h}_{{mt}}}{{\Psi }_{t}}(I)} . \\ \end{gathered} $

На рисунке 2 приведены ΔhmF2 по данным некогерентного рассеяния радиоволн трех пунктов наблюдения в разных широтах западного полушария. Видно, что характер вариаций подобен вариациям по данным ВЗ, приведенным на рис. 1.

Рис. 2.

Суточные вариации $\overline {\Delta mF2} $ для сезонов лета, равноденствия, зимы широтой цепочки станций некогерентного рассеяния западного полушария.

Широтная зависимость функции $\Delta \overline {hmF2} (t,\varphi )$ получена разложением коэффициентов А(I, L) по степенным ортогональным полиномам Лежандра, поскольку она не имеет ярко выраженной периодичности:

$A(I,L) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\sum\limits_{j = 1}^5 {\varepsilon (I,J,M)P(J)} } \\ {\sum\limits_{j = 1}^4 {\varepsilon (I,J,M)P(J)} } \\ {\sum\limits_{j = 1}^3 {\varepsilon (I,J,M)P(J).} } \end{array}} \right.$
Коэффициенты ε(I, J, M) определяются следующим образом:
$\varepsilon (I,J,M) = \frac{{2J + 1}}{2}\int\limits_{ - 1}^1 {A(I,L)P(J)d\varphi } .$
Для разложения используются первые пять многочленов Лагранжа
$\begin{gathered} P\left( {\text{1}} \right) = {\text{1,}}\,\,\,\,P\left( {\text{2}} \right) = \phi ,\,\,\,\,P\left( {\text{3}} \right) = \frac{1}{2}(3{{\phi }^{2}} - 1), \\ P\left( {\text{4}} \right) = \frac{1}{2}(5{{\phi }^{3}} - 3\phi ),\,\,\,\,P\left( {\text{5}} \right) = \frac{1}{8}(35{{\phi }^{4}} - 30{{\phi }^{2}} + 3), \\ \end{gathered} $
где ϕ – приведенная широта, ϕ = (φ – 43.5)/44.5 для J = 1–5, φ = 0°–90°.

Первые две гармоники аппроксимируются пятью полиномами Лежандра; третья гармоника аппроксимируется по меньшему количеству узлов, поэтому ограничимся четырьмя полиномами, а в четвертой гармонике – тремя полиномами.

Сезонное описание функции $\Delta \overline {hmF2} $(t, φ, М) проводилось следующим образом. Предположим, что в периоды весеннего и осеннего равноденствия функция принимает одинаковые значения. Период должен быть равен 1 г. Функция описывается по четырем точкам (М = 1 соответствует зиме, 2 и 4 – равноденствиям, 3 – лету). Указанными свойствами обладает функция

$\begin{gathered} \varepsilon (I,L,M) = \sum\limits_{N = 1}^2 {\delta (I,J,M)q(N)} , \\ q(1) = 1,\,\,\,\,q(2) = \cos \frac{\pi }{2}(M - 1). \\ \end{gathered} $
Коэффициенты δ (I, J, М) вычисляются следующим образом:
$\begin{gathered} \delta (I,J,M) = \frac{1}{4}\sum\limits_{M = 1}^4 {\varepsilon (I,J,M)} ,\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,N = 1, \\ \delta (I,J,M) = \frac{1}{2}\sum\limits_{M = 1}^4 {\varepsilon (I,J,M)} \cos \frac{\pi }{2}(M - 1) = \\ = \frac{{\varepsilon (I,J,1) - \varepsilon (I,J,3)}}{2},\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,N = 2. \\ \end{gathered} $
Вычисления приводят к следующим матрицам:
$\begin{gathered} \delta {{(I,J,M)}_{{N = {\text{1}}}}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} { - 13.4}&{16.3}&{ - 6.1}&{8.7}&{14.6} \\ {17.8}&{68.3}&{ - 75.9}&{9.1}&{ - 13.7} \\ { - 35.2}&{45.5}&{ - 27.8}&{ - 32.6}&{ - 18.8} \\ { - 31.7}&{ - 41.9}&{155.8}&{ - 3.2}&{26.7} \\ { - 108.0}&{ - 47.2}&{ - 12.4}&{21.1}&{0.4} \end{array}} \right|, \\ \delta {{(I,J,M)}_{{N = {\text{2}}}}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} {12.1}&{ - 8.5}&{4.4}&{ - 6.1}&{ - 0.2} \\ {28.4}&{1.0}&{ - 6.6}&{0.5}&{ - 11.2} \\ { - 59.1}&{13.2}&{21.2}&{ - 18.9}&{21.2} \\ {29.5}&{ - 2.0}&{4.4}&{ - 18.2}&{14.2} \\ {81.3}&{ - 8.0}&{ - 17.5}&{43.1}&{ - 27.8} \end{array}} \right|. \\ \end{gathered} $
Таким образом, алгоритм для вычисления функции $\Delta \overline {hmF2} $(t, φ, М) приобретает следующий вид:
(3)
$\begin{gathered} \Delta \overline {hmF2} (t,\varphi ,M) = \\ = \sum\limits_{I = 1}^5 {\sum\limits_{J = 1}^5 {\sum\limits_{N = 1}^2 {\delta \left( {I,J,N} \right)q\left( N \right)P\left( J \right)\Psi \left( I \right)} } } . \\ \end{gathered} $
Индекс I относится к суточным изменениям, J – к широтным, M – сезонным.

Среднеквадратические отклонения приведенных на рис. 1 рассчитанных по описанному алгоритму (сплошная линия) распределений $\Delta \overline {hmF2} $(t, φ, M) от значений $\Delta \overline {hmF2} ,$ полученных по экспериментальным данным, не превышает ~15 км.

2.3. Возмущенные вариации $\Delta \overline {hmF2} $ на разных долготах

Для описания долготных вариаций анализировались данные наблюдений ионосферных станций ВЗ, расположенных на разных долготах. На рисунке 3 представлены суточные хода долготной поправки ∇(λ) – разности между наблюденными значениями $\Delta \overline {hmF2} $ и рассчитанными по (3) значениями $\Delta \overline {hmF2} $ для соответствующей широты и долготы 75° W. Расчеты сделаны для трех сезонов. Из рисунка видно, что долготный эффект существует, но дать математическое описание его величины для любой долготы, учитывая небольшой массив, трудно. Поэтому при учете долготной зависимости было принято, что она имеет простейший вид:

$\nabla (\lambda ) = {{A}_{0}} + {{B}_{0}}{\text{cos}}\frac{{\pi \lambda }}{{180}} + {{C}_{0}}{\text{sin}}\frac{{\pi \lambda }}{{180}}.$
Далее, используя ту же методику, что и при выводе ΔhmF2(t, φ, М), получаем зависимость в виде суммы ряда
$\nabla (\lambda ) = \sum\limits_{I = 1}^5 {\sum\limits_{k = 1}^3 {\sum\limits_{N = 1}^2 {\eta ((I,k,N)q(N)r(k)\Psi (I)} } } ,$
где функции q(N)и Ψ(I) те же, что и при выводе широтной зависимости; индекс k относится к долготной зависимости.
$r(1) = \frac{{\sqrt 2 }}{2},\,\,\,\,r(2) = \cos \frac{{\pi \lambda }}{{180}},\,\,\,\,r(3) = \sin \frac{{\pi \lambda }}{{180}},$
матрица η(I, k, N) имеет следующий вид:

$\begin{gathered} \eta {{(I,k,{\text{1}})}_{{N = {\text{1}}}}} = ~~\left| {\begin{array}{*{20}{c}} {0.98}&{25.50}&{21.52}&{10.24}&{2.88} \\ { - 14.76}&{ - 4.57}&{ - 17.96}&{4.98}&{ - 5.06} \\ { - 3.00}&{ - 12.51}&{ - 16.14}&{ - 5.37}&{ - 1.13} \end{array}} \right|, \\ \eta {{(I,k,2)}_{{N = 2}}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} { - 9.46}&{16.03}&{4.11}&{ - 4.22}&{7.05} \\ { - 13.27}&{0.56}&{0.97}&{2.55}&{0.57} \\ {5.64}&{ - 6.14}&{ - 0.08}&{5.50}&{ - 3.50} \end{array}} \right|. \\ \end{gathered} $
Рис. 3.

Суточный ход долготных поправок ${{\overline {\Delta mF2} }_{\lambda }}$ для долготной цепочки станций.

Таким образом, модель ΔhmF2 для северного полушария с учетом долготного эффекта выглядит следующим образом:

(4)
$\begin{gathered} \Delta \overline {hmF2} (t,\Phi ,\lambda ,M) = \\ = \sum\limits_{I = 1}^5 {\sum\limits_{J = 1}^5 {\sum\limits_{N = 1}^2 {\delta \left( {I,J,N} \right)q\left( N \right)P\left( J \right)\Psi \left( I \right)} } } + \\ + \,\,\sum\limits_{I = 1}^5 {\sum\limits_{K = 1}^3 {\sum\limits_{N = 1}^2 {\eta ((I,k,N)q(N)r(k)\Psi (I)} } } = \\ = \sum\limits_{I = 1}^5 {\sum\limits_{N = 1}^2 {\Psi \left( I \right)q\left( N \right)} } \left[ {\sum\limits_{J = 1}^5 {\delta (I,J,N)P(J)} + } \right. \\ \left. { + \,\,\sum\limits_{k = 1}^3 {\eta (I,k,N)r(k)} } \right]. \\ \end{gathered} $

2.4. Вариации $\Delta \overline {hmF2} $ в южной полусфере

Были рассмотрены данные станций южной цепочки станций на λ ~ 130° Е в возмущенные периоды. Список станций дан в табл. 2.

Таблица 2.  

Список станций южного полушария для корректировки значений hmF2 в возмущенных условиях

Станция φ, °S λ, °Е
Cocos Islands 23   97
Brisbane 36 153
Mundaring 43 116
Canberra 44 149
Hobart 52 147

При рассмотрении суточных ходов $\Delta \overline {hmF2} $ на этих станциях в разные сезоны обращают на себя внимание аномально высокие значения $\overline {hmF2} $ на всех станциях. Сопоставление этой цепочки с цепочкой северного полушария в первом приближении дает качественное подобие хода $\Delta \overline {hmF2} $ (LT) на соответствующих широтах в одни сезоны, но на южной цепочке он приподнят. Используя данные hpF2 (только в ночное время, т.к. только в отсутствии межслоевой ионизации hpF2 грубо соответствует hmF2) НИС “Академик Королев”, приблизительно был очерчен район аномально высоких значений hmF2 по геомагнитной широте 23°–58° S , по географической долготе 97°–180° Е. В предположении, что аномалия hmF2 линейно уменьшается до “нормальных” значений на λ ≅ ≅ 75° W и Ф ≅ 10° S (Сингапур) и Ф ≅ 89° S (Южный полюс), были посчитаны градиенты $\Delta \overline {hmF2} $ к востоку и западу, северу и югу от области аномалии.

В таблицах 3 и 4 представлены градиенты спада аномального подъема до нормальных значений (∇Е, ∇W, ∇N, ∇S).

Таблица 3.  

Градиенты спада в северо-южном направлении ∇N и ∇S – аномального подъема до нормальных значений hmF2

Градиент, км/град Лето Равноденствие Зима
N 12.3 17.0 21.5
S   6.2  5.7   6.2
Таблица 4.  

Градиенты спада в восточно-западном направлении ∇E и ∇W/аномального подъема до нормальных значений hmF2

φ, °S Лето Равноденствие Зима
W, км/град E, км/град W, км/град E, км/град W, км/град E, км/град
20 0.9 1.5 1.3 2.1 1.6 2.7
30 0.9 1.5 1.1 1.8 1.3 2.2
40 0.8 1.2 0.9 1.4 1.0 1.7
50 1.3 2.2 1.2 2.0 1.3 2.2

Таким образом, для получения $\Delta \overline {hmF2} $ во время возмущений в южном полушарии в первом приближении можно пользоваться методикой и данными, полученными для северной цепочки станций с учетом поправок на “аномальное” поведение $\Delta \overline {hmF2} ,$ представленных в табл. 3 и 4.

2.5. Зависимость $\Delta \overline {hmF2} $ от солнечной активности (W)

При моделировании hmF2 зависимость от W учитывалась в спокойных вариациях (hmF2)q, но известно, что возмущенные вариации ионосферных параметров δfoF2 и $\Delta \overline {hmF2} $ также зависят от солнечной активности. По имеющимся данным была оценена такая зависимость. На рисунке 4 представлен суточный ход $\Delta \overline {hmF2} $ на станциях Томск (Ф = 46° N, λ = 85° Е) и Slough (Ф = 54° N, λ = 1° W) для лет разной солнечной активности. Из графиков видно, что существует обратная зависимость $\Delta \overline {hmF2} $ от W ≤ 140, которая может быть представлена следующим соотношением:

$\Delta \overline {hmF2} = K({{W}_{0}} - W),$
где W0 – годовое число Вольфа для известных $\Delta \overline {hmF2} $(LT), K – коэффициент, зависящий от сезона:

$K = 0.6{\text{ км для лета}},$
$K = 0.4{\text{ км для равноденствия}},$
$K = 0.2{\text{ км для зимы}}.$
Рис. 4.

Суточный ход $\overline {\Delta mF2} $ на станциях Томск и Slough для разной солнечной активности.

В годы c W > 140 $\Delta \overline {hmF2} $ практически не меняется, оставаясь на уровне лет с W = 140, что видно из данных ст. Slough.

2.6. Определение δhmF2(АЕ)

Зависимость остатка возмущенной части δhmF2 от магнитной активности в первом приближении может быть представлена линейно. Получена следующая зависимость δhmF2 от АЕ-индекса соответственно для зимы, лета и равноденствия:

$\delta hmF2 = \left\{ \begin{gathered} {\text{0}}{\text{.27}}\left| \varphi \right| - 25.7 + (0.069 - 0.0005\left| \varphi \right|)AE \hfill \\ - 0.37\left| \varphi \right| + (0.001\left| \varphi \right| + 0.012)AE \hfill \\ 0.5\left| \varphi \right| - 40.0 + (0.086 - 0.0014\left| \varphi \right|)AE. \hfill \\ \end{gathered} \right.$
Таким образом, имея текущую гелиогеофизическую информацию, можно рассчитать hmF2 в любом заданном пункте.

3. ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ МОДЕЛИ hmF2 ВО ВРЕМЯ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Проверка алгоритма (I) по экспериментальным данным внешнего, некогерентного и вертикального зондирования ионосферы, не вошедшим в статистику при обработке возмущенных вариаций hmF2, проводилась для разных сезонов и фазы солнечного цикла по станциям, расположенным на разных широтах и долготах (всего 1914 часовых значений).

Несколько случаев было проверено по данным спутника Alouette II. В течение нескольких минут hmF2 изменялась в диапазоне 305–330 км, 351–377 км, прогнозируемые значения были 348 и 356 км соответственно.

На рисунках 5 и 6 даны примеры сопоставлений расчетных и экспериментальных hmF2. Из рисунков видно, что среднеквадратическое отклонение (СКО) в более чем 90% случаев не превосходит 35 км, что при учете не очень большого массива данных, на основе которого была построена модель hmF2, является достаточно хорошим результатом. СКО изменяется от 24 до 35 км. Наименьшие СКО – в равноденствие на средних и высоких широтах, наибольшие – на низких широтах летом. Погрешность расчетов в большой мере определяется индивидуальностью каждой отдельной бури, нет точной копии ни у одной бури.

Рис. 5.

Сопоставление экспериментальных и рассчитанных значений hmF2 для ст. Томск.

Рис. 6.

Сопоставление экспериментальных и рассчитанных значений hmF2 для высокоширотных станций о-в Хейса, Диксон и Мурманск.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, предложенная методика расчета hmF2 в возмущенных условиях позволяет с достаточной степенью точности рассчитать высоту максимума слоя F2 во время геомагнитных возмущений в любой точке Земли. Имея прогноз солнечной и геомагнитной активности, можно прогнозировать hmF2. Простое математическое обеспечение делает эту модель удобной для оперативного использования.

Вместе с тем, следует отметить, что проблема повышения эффективности функционирования радиолокационных систем путем более корректного учета среды распространения радиоволн остается весьма сложной даже с использованием дополнительных средств диагностики ионосферы. Из-за повышения требований к различным средствам учет состояния среды распространения радиоволн становится неотъемлемой частью их эксплуатации. Соответственно, требования к ионосферным моделям являются достаточно жесткими. Что же касается моделей параметров в возмущенных условиях, то повышение их точности может идти по следующим направлениям.

– Увеличение объема данных ионосферного мониторинга для разных уровней солнечной и магнитной активности, широты, времени суток и сезона и дифференцированное их математическое описание по типам возмущений.

– Построение региональных моделей безусловно повысит их точность.

– Одновременное развитие вероятностных моделей улучшит прогноз среды распространения радиоволн. Для этого необходима оценка законов распределения статистических параметров, ее следует делать на основании статистического анализа многочисленных независимых экспериментальных данных.

Отметим, что в некоторых аналитических работах анализируется точность наиболее известных отечественных и зарубежных моделей ионосферы в связи с прикладными задачами. Показывается, что ни одна из них по разным причинам хотя бы примерно не удовлетворяет всем требованиям. Отмечается, что наиболее перспективными представляются вероятностно-статистические модели, которые в принципе могут в той или иной степени соответствовать этим требованиям [Аксенов и др., 2020; Алпатов и др., 2020]. С этим нельзя не согласиться. Тем не менее, эмпирические модели тоже нужно разрабатывать, усовершенствовать. Так или иначе, они обобщают исследования на определенном этапе развития.

Список литературы

  1. Аксенов O.Ю., Козлов С.И., Ляхов А.Н., Трекин В.В., Перунов Ю.М., Якубовский С.В. Анализ прикладных моделей ионосферы для расчета распространения радиоволн и в возможность их использования в интересах радиолокационных систем. I. Классификация прикладных моделей и основные требования, предъявляемые к ним в интересах радиолокационных средств // Солнечно-земная физика. Т. 6. № 1. С. 86–96. 2020.

  2. Алпатов В.В., Беккер С.З., Козлов С.И., Ляхов А.Н., Яким В.В., Якубовский С.В. Анализ прикладных моделей ионосферы для расчета распространения радиоволн и возможность их использования в интересах радиолокационных систем. II. Отечественные модели // Солнечно-земная физика. Т. 6. № 3. С. 73–81. 2020.

  3. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука. 527 с. 1988.

  4. Гончарова Е.Е., Деминова Г.Ф., Куликов В.В., Лебле С.Б., Нацвалян С.А., Шашунькина В.М., Юдович Л.А. Прогностический аспект ионосферного эффекта внутренних гравитационных волн в периоды магитосферных суббурь // Прогнозирование ионосферных, магнитосферных возмущений и солнечной активности. М.: Наука. С. 144–159. 1987.

  5. Зевакина P.A., Жулина E.M., Носова Г.Н., Сергеенко Н.П. Руководство по краткосрочному прогнозированию ионосферы (Материалы мирового центра данных Б). М.: МГК при През. АНСССР. 71 с. 1990.

  6. Кулешова В.П., Сергеенко Н.П. О вариациях высоты максимума слоя F2 во время магнитосферных бурь / Исследование условий распространения радиоволн. М.: ИЗМИРАН. С. 146–151. 1983.

  7. Кулешова В.П., Пономарева Л.И., Сергеенко Н.П. К вопросу о расчете высоты максимума слоя F2 во время ионосферных бурь // Прогнозирование ионосферы и распространения радиоволн. М.: Наука. С. 48–54. 1984.

  8. Лапшин В.Б., Данилов А.Д., Михайлов В.В., Цыбуля К.Г., Денисова В.И., Михайлов А.В., Деминов М.Г., Карпачев А.Т., Шубин В.Н. Модель SIMP как новый государственный стандарт распределения концентрации электронов в ионосфере (ГОСТ 25645.146) // Пленарный доклад на XXV Всероссийской открытой конференции “Распространение радиоволн”. г. Томск. 3–9 июля 2016 г.

  9. Altadill D., Magdaleno S., Torta J.M., Blanch E. Global empirical models of the density peak height and of theequivalent scale height for quiet conditions // Adv. Space Res. V. 52. P. 1756–1769. 2012. https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.11.018

  10. Bilitza D., Eyfrig R. A global models for the height of the F2-peak using M3000 values from the CCIR numerical map // Telecommun J. V. 46. № 9. P. 549–553. 1979.

  11. Shimazaki I. Dynamical structure of the ionospheric F2 layer as deduced from the world-wide daily variations // J. Atmos. Terr. Phys. V. 15. Issues 1–2. P. 108–115. 1959.

  12. Ching B.K., Chiu Y.T. A phenomenological model of global ionospheric electron density in the E-, F1- and F2-regions // J. Atmos. Terr. Phys. V. 35. № 9. P. 1615–1630. 1973.

  13. Chiu J.T. An improved phenomenological model of ionosphere density // J. Atmos. Terr. Phys. V. 37. № 12. P. 1563–1570. 1975.

  14. Rishbeth H. How the thermospheric circulation affects the ionospheric F2 layer // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 60. № 14. P. 1385–1402. 1998.

Дополнительные материалы отсутствуют.