Исследование Земли из Космоса, 2023, № 6, стр. 106-117

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, ионосфера подвержена влиянию распространяющихся вверх атмосферных волн, источником которых могут стать не только импульсные и волновые естественные источники в литосфере и океане (землетрясения, вулканы, цунами и др.) (Шалимов, 2018), но и метеорологические (Данилов и др., 1987; Ванина-Дарт, Шарков, 2016). Так, с использованием данных вертикального зондирования приблизительно сотни станций, было установлено (Forbes et al., 2000), что в отсутствии геомагнитных возмущений ионосферные вариации на ±25–35% определяются влиянием метеорологических факторов с периодами от нескольких часов до 1–2 дней и на ±15–20% – с периодами 2–30 дней (периоды планетарных волн) на всех широтах.

Среди различных метеорологических факторов тропические циклоны (тайфуны) выделяются как наиболее мощные источники, которые способны влиять на ионосферу. Это влияние регистрируют как в нижней, так и в верхней ионосфере. В частности, в активную фазу циклона (в ракетных экспериментах) было зарегистрировано уменьшение электронной концентрации в D области (максимальное уменьшение – на высотах 71 ± 3 км) на расстояниях около 10³ км (по горизонтали) от ядра циклона (Ванина-Дарт и др., 2008). В верхней ионосфере, как правило, регистрируют волновые вариации в диапазоне атмосферных внутренних волн (Ясюкевич и др., 2013; Шалимов и Соловьева, 2022). В некоторых работах утверждается, что полное электронное содержание (Total Electron Content, TEC) имеет тенденцию к увеличению перед выходом циклона на сушу, причем амплитуда и протяженность этой аномалии, спустя сутки после выхода, уменьшается (Mao et al., 2010; Rice et al., 2012; Liu et al., 2008). Вместе с тем, для шести циклонов в северо-западной части Тихого океана было показано (Polyakova, Perevalova, 2013), что вариации ТЕС достигают наибольших амплитуд, когда скорость ветра и интенсивность тропического циклона максимальны, причем тогда же наблюдаются перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ). В работе (Захаров, Куницын, 2012) методом GPS-интерферометрии во время действия крупнейших атлантических циклонов 2004–2008 гг. было показано, что перемещающиеся ионосферные волновые возмущения могут быть обусловлены орографией, так что возможна генерация акустико-гравитационных волн на береговой линии при ее обтекании воздушными потоками от тайфунов. Установлено, что такие волновые структуры приурочены к фазам роста или спада тайфуна.

Очевидно, что перечисленные признаки воздействия тайфунов на ионосферу нуждаются в дальнейших исследованиях как в нижней, так и в верхней ионосфере с использованием дополнительных (к названным выше) методов.

В настоящей работе для исследования отклика нижней ионосферы на прохождение тихоокеанских тайфунов периода 2014–2016 гг. использована региональная сеть станций СДВ-радиопросвечивания, а для регистрации отклика верхней ионосферы – измерения посредством спутников SWARM в интервалы пролета над зоной действия тайфунов.

ТРОПИЧЕСКИЕ ТАЙФУНЫ

В настоящей работе рассмотрены ионосферные отклики на мощные атмосферные вихри – тайфуны Vongfong, Koppu и Nepartak. События относятся к периоду 2014–2016 гг. и являются тайфунами 5-ой наивысшей категории по шкале Саффира-Симсона. На рис. 1 представлена их временная эволюция. Скорость ветра в максимуме своего развития у рассматриваемых событий составила от 50 до 80 м/с, а падение давления в центре области возмущения достигала в максимуме величин от 70 до 110 гПа.

Рис. 1.

Временная эволюция рассмотренных в работе тайфунов. Индексы Кр – гистограмма, Dst – ломаная кривая на панелях а – Vongfong, б – Koppu и в – Nepartak.

Поскольку на состояние ионосферы могут оказывать влияние параметры гео- и гелиомагнитной активности, учитывалась также временная эволюция индексов Кр и Dst. Они также приведены на рис. 1. Отметим, что во время рассматриваемых событий оба индекса показывали спокойную гео- гелиомагнитную обстановку, что позволяет упростить интерпретацию наблюдений и повысить надежность выводов, полученных на их основе. Траектории тайфунов показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Траектории тайфунов Vongfong (октябрь 2014 г., фиолетовые кружки), Koppu (октябрь 2015 г., зеленые ромбы) и Nepartak (июль 2016 г., красные треугольники). Квадрат показывает положение передатчика NWC (19.8 кГц), звездочки – положение приемников в Южно-Сахалинске (YSH) и Петропавловске-Камчатском (РТК). Эллипсами показана зона чувствительности (пять зон Френеля) трасс сигнала. Цифры соответствуют датам, для которых были найдены возмущения сигнала. Буквы при них обозначают название тайфунов.

ИНСТРУМЕНТЫ И МЕТОДЫ

Отклик нижней ионосферы исследуется методом дистанционного СДВ радиозондирования на частотах 3–30 кГц, которые способны распространяться на тысячи километров от передатчика до приемника со слабым затуханием (~2 дБ на 1000 км) в естественном волноводе Земля – ионосфера (отражение от верхней стенки волновода – ионосферы, происходит на высотах ~60 км днем и ~85 км ночью). Амплитуда и фаза сигналов является чувствительным индикатором состояния ионосферы. Если возмущения генерируются в атмосфере тайфуном, то при распространении в верхнюю ионосферу эти волны проходят через нижнюю ионосферу, и индикатором этого будут соответствующие возмущения амплитуды и фазы СДВ-сигнала.

Приемные станции СДВ радиопросвечивания региональной сети Дальневосточного региона России находятся в Петропавловске-Камчатском, Южно-Сахалинске и Южно-Курильске. Станции оборудованы UltraMSK приемниками (http://ultramsk.com), которые измеряют одновременно амплитуду и фазу MSK (MinimumShiftKeying) модулированных сигналов в частотном диапазоне 10–50 кГц от нескольких передатчиков. MSK сигналы имеют фиксированные частоты в интервале 50–100 Гц относительно основной частоты. Приемник может регистрировать сигналы с шагом дискретизации от 50 мс до 60 с. Для анализа использовались данные усредненные по временному интервалу 20 с.

Были проанализированы вариации СДВ сигнала для 3-х тайфунов за период 2014–2016 гг., которые пересекали зоны чувствительности трасс (пять зон Френеля) в отсутствии магнитной и сейсмической активности (т.е. для событий с магнитудой M > 5.5). Трассами служили сигналы от передатчика NWC (19.8 кГц), расположенного на западном побережье Австралии, принимаемые станциях в Петропавловске-Камчатском (PTK), Южно-Сахалинске (YSH) и Южно-Курильске (YUK). Данные по тайфунам были получены с сайта Японского метеорологического агентства (JMA, https://www.jma.go.jp/jma/indexe.html).

Для анализа был выбран ночной интервал времени, поскольку дневная ионосфера очень стабильна и мало чувствительна к воздействиям слабее, чем солнечные вспышки. СДВ сигналы имеют суточные и сезонные вариации, поэтому для анализа использовался разностный сигнал, определяемый как разница между наблюдаемым и среднемесячным сигналом.

Для исследования возмущений верхней ионосферы, синхронных с теми, что наблюдались в нижней ионосфере посредством СДВ радиопросвечивания, использовались данные со спутников Swarm, где задействованы 3 спутника (А, В и С), расположенные на двух околополярных орбитах: орбиты спутников A и C имеют наклонение 87.4° практически на одной высоте (в 430–460 км для эпохи 2019 г.) и двигаются по сходным орбитам с разницей эпох обращения 2–10 с. Третий спутник имеет иные параметры движения (например, орбиту в диапазоне 500–540 км), не синхронизован с первыми спутниками и является контрольным (Olsen et al., 2013). В настоящем исследовании используются данные о пространственно-временном распределении электронной концентрации, измеренные ленгмюровскими зондами на борту спутников с частотой опроса 2 Hz и относительной ошибкой в области максимума электронной концентрации не более 1% при пролетах над зонами действия тайфунов (http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/swarm).

Поскольку масштабы области ТЦ в атмосфере составляют величины порядка нескольких сотен км и не превосходят 1500 км, то с учетом скорости движения ИСЗ (7.4–7.6 км/с) параметры временного фильтра в нашей работе выбирались в интервале от 15 с до 3–5 мин.

Поиск данных по пролетам сводится к определению геометрического пересечения проекций треков пролетов космических аппаратов с областью, в которой могут наблюдаться ионосферные проявления тропических циклонов. Работа проведена с помощью специализированного ПО, созданного на физическом факультете МГУ. Все иллюстрации, приведенные в этой части работы, выполнены полуавтоматическим комплексом обработки. При этом учитывались следующие особенности: 1) возможность отсутствия пролетов в интересующий период в непосредственной близости от региона действия тропического циклона (ТЦ) или тайфуна, 2) трудность выделения изучаемого отклика на фоне естественных ионосферных возмущений, к которым в нашем случае относятся экваториальная ионосферная аномалия и области овала высоких широт (последний особенно важен в динамике ночной плазмы), 3) поиск пролетов спутника в ночные часы, когда наиболее существенны эффекты влияния ионосферы на распространение СДВ-сигналов, но уменьшается электронная концентрация, которая в работе используется как естественный индикатор возмущений в ионосфере, 4) определение возмущенной области, проявляющейся в ионосфере от ТЦ, которая, в случае приближения источника генерации к суше, т.е. препятствие может изменить картину регистрируемых возмущений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В настоящей работе синхронные возмущения нижней и верхней ионосферы будут рассмотрены для 3-х достаточно мощных тайфунов – Vongfong (2014), Кoppu (2015) и Nepartak (2016), траектории которых показаны на рис. 2.

Тайфун Vongfong 2014. Из рис. 2 видно, что 8–11 октября тайфун находился внутри зон чувствительности трасс NWC-PTK и NWC-YSH. Депрессия в амплитуде наблюдалась 9 октября для трассы NWC-PTKи 10 октября для трассы NWC-YSH, но, принимая во внимание дальнейшее сопоставление с измерениями на спутниках Swarm, рассмотрим подробнее день 11 октября.

Для этого дня для трассы NWC–YSH был сделан вейвлет-анализ амплитуды и фазы ночного сигнала, отфильтрованного в диапазоне частот 0.3–15 мГц (рис. 3) Можно отметить две особенности вариаций фазы сигнала: достаточно длительный (несколько часов) отрицательный сдвиг фазы, который сменяется положительной аномалией, и наложенные на них более короткопериодные волновые вариации.

Рис. 3.

Тайфун Vongfong 11 октября 2014 г. На верхнем графике изображены разностные ночные амплитуда и фаза NWC сигнала на станции в Южно-Сахалинске. Пунктирная линия – уровень 2 стандартных отклонений. На среднем графике показаны амплитуда и фаза фильтрованного сигнала в ночное время. Нижний график – вейвлет-спектры фильтрованного сигнала.

Рассмотрим теперь измерения в верхней ионосфере на спутниках SWARM. На рис.4 показан результат измерения вариаций электронной плотности за 11.10.2014 во время пролета спутников -А и -С в период 12:45–13:00 UTC над зоной действия тайфуна Vongfong приблизительно в одно время с регистрацией вариаций СДВ сигнала, показанных на рис. 3. На карте региона действия циклона представлен полный трек циклона за весь период его действия, на котором эллипсом в проекции карты отмечена область шторма циклона в указанный период времени. Условно лучами представлены треки спутников в проекции на поверхность земли. Вдоль нисходящих в нашем случае треков нанесены метки времени с обозначением спутника, например, “12:56 C” означает, что над данной точкой спутник SWARM -C пролетал в указанное время. Вдоль треков приведены соответствующие отклики электронной концентрации, выделенные в диапазоне 15…180 с. Для удобства амплитуды возмущений вынесены на панель внутри рис. 3.

Рис. 4.

Карта региона действия тайфуна с указанием его трека, эллипсом отмечена условная область тайфуна, пересекаемая траекториями спутников. Вдоль нисходящих витков нанесены метки времени с обозначением спутника и амплитудами возмущений (измерения возмущений для удобства вынесены на панель внутри рисунка).

Обратим внимание на зарегистрированные квазиволновые структуры достаточно большой до 10% относительной амплитуды dN/N. С учетом скорости спутника (около 7.5 км/c), протяженность структур составляет 400–600 км, что соответствует горизонтальной длине волны структур.

Тайфун Koppu 2015. Как видно из рис. 1б статус тайфуна был достигнут 15 октября 2015 г. 17 октября он усилился до 5 категории. Тайфун находился внутри зоны чувствительности трассы NWC-PTK 15–16 октября и внутри зоны чувствительности трассы NWC-YSH 16–17 октября (рис. 2).

На рис. 5 показана фаза и амплитуда для возмущенного дня 16 октября 2015 г. Хотя отклонение от среднемесячной величины не превышает двух стандартных отклонений для фазы, можно отметить отрицательный сдвиг фазы. Кроме того, отчетливо видны квазипериодические вариации фазы СДВ сигнала. Вейвлет-анализ сигнала показывает периоды этих вариаций.

Рис. 5.

То же, что на рис. 3, но для тайфуна Koppu 16 октября 2015 г.

Траектория спутников Swarm для этого тайфуна показана на рис. 6 вместе с условным радиусом действия тайфуна равным 1000 км. Видно, что около 17 UT спутники проходят по краю области шторма. Это позволяет регистрировать те же специфические возмущения плотности плазмы, что и для тайфуна Vongfong (рис. 4).

Рис. 6.

То же, что на рис. 4, но для тайфуна Koppu 16 октября 2015 г.

В обозначениях аналогичных рис. 4, относительная амплитуда возмущений доcтигает 10%.

Тайфун Nepartak 2016. Тайфун достиг 5 категории 5 июля 2016 г. Находился в этой категории следующий день, когда достиг пика интенсивности. Эффекты наблюдались 5 июля на трассах NWC-PTK и NWC-YSH. Амплитуда и фаза возмущенного сигнала совместно с результатами вейвлет анализа 5 и 7 июля показана на рис. 7 и 8 соответственно.

Рис. 7.

То же, что на рис. 3, но для тайфуна Nepartak 5 июля 2016 г.

Рис. 8.

То же, что на рис. 7 для тайфуна Nepartak 7 июля 2016 г.

Для обоих дней (5 и 7 июля) в вариациях фазы имели место квазиволновые возмущения. Это подтверждают и результаты вейвлет-анализа. При этом, если 5 июля ночные длиннопериодные вариации фазы начинались, как и в предыдущих двух случаях, с отрицательной полуволны и заканчивались положительной, то 7 июля ход фазы сигнала был инвертированный.

Для периода действия тайфуна Nepartak траектории спутников Swarm (-А и -С) и результаты измерения вариаций плотности плазмы показаны на рис. 9.

Рис. 9.

То же, что на рис. 4 для тайфуна Nepartak 7 июля 2016 г.

На рис. 9 обращает на себя аномально большой – до 30% – относительный отклик электронной концентрации для спутника -С на восходящем витке. Совместное рассмотрение откликов для спутников -А и -С показывает, что в ионосфере региона действия тайфуна возможно сосуществование как областей, обусловленных прохождением ВГВ, так и областей турбулентных движений плазмы. Поясним последнее утверждение. По построению системы SWARM спутники -А и -С синхронизованы в пространстве и времени - они входят в соседние области, отстоящие друг от друга на расстоянии менее 1.5 град по долготе и от 2 до 10 с по времени. Обычно корреляция двух сигналов составляет не менее 0.85–0.9, но в рассматриваемом случае корреляция численно равна 0.32, что может указывать на формирование в ионосфере вдоль траекторий пролета спутников различных областей, обусловленных квазиволновыми или турбулентными движениями плазмы.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Приведенные экспериментальные данные отчетливо демонстрируют волновые возмущения амплитуды и фазы СДВ-сигнала во время активной стадии тайфунов, т.е. присутствие волновых возмущений в нижней ионосфере. Вейвлет-анализ показывает наличие волн в диапазоне периодов 8–55 мин, что видно на рис. 3, 5, 7, 8. Этот диапазон соответствует атмосферным внутренним гравитационным волнам (ВГВ).

Если обратиться к практически синхронным (с регистрацией возмущений посредством СДВ радиопросвечивания) наблюдениям на спутнике SWARM (см. рис. 4, 6, 9), то видно, что спутник регистрирует вариации плотности ионосферной плазмы верхней ионосферы с масштабом в несколько сотен км, которые являются типичными для перемещающихся ионосферных возмущений. Таким образом, и в нижней, и в верхней ионосфере во время активной фазы тайфунов имеют место вариации ионосферной плазмы характерные для распространяющихся ВГВ.

Можно оценить согласованность спутниковых измерений с измерениями методом СДВ радиопросвечивания. Поскольку масштабы $L$ вариаций плотности, наблюдаемые на спутнике оцениваются по формуле $f \approx {{{{V}_{s}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{V}_{s}}} L}} \right. \kern-0em} L}$, где ${{V}_{s}}$ – скорость спутника, то, используя рис. 4, 6, 9, для вариаций плотности плазмы получим $L \approx $ 300–400 км. Поскольку, согласно предположению, наблюдаемые частоты волновых вариаций в нижней ионосфере соответствуют проходящим через ионосферу ВГВ, то для них справедлива оценка $\omega = {{{{\omega }_{{\text{B}}}}{{\lambda }_{z}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\omega }_{{\text{B}}}}{{\lambda }_{z}}} {{{\lambda }_{x}}}}} \right. \kern-0em} {{{\lambda }_{x}}}}$, где ${{\omega }_{{\text{B}}}}$ – частота Брента–Вяйсяля, ${{\lambda }_{z}},\;{{\lambda }_{x}}$ – соответственно вертикальная и горизонтальная длины волн. Согласно модельным расчетам (Vadas and Fritts, 2006), на высотах термосферы ВГВ, генерируемые конвективными движениями в атмосфере, имеют вертикальные длины волн ${{\lambda }_{z}} \approx $ 45–55 км. Соответственно, периоды этих волн должны занимать диапазон $T \approx $ 30–50 мин, что согласуется с наблюдениями посредством СДВ радиопросвечивания (см. рис. 3, 5, 7, 8).

Как уже было отмечено, разностный сигнал на рис. 3, 5, 7, 8 демонстрирует две особенности вариаций фазы сигнала: длиннопериодные (несколько часов) отрицательные и положительные аномалии, на которые наложены более короткопериодные волновые вариации. Если короткопериодные волновые вариации связываются с распространением ВГВ, то происхождение длиннопериодных вариаций не вполне ясно, но можно полагать, что они также обусловлены присутствием ВГВ, а точнее – диссипацией внутренних волн. На то, что диссипативные процессы имеют место в верхней ионосфере, указывают отмеченные выше измерения на спутниках SWARM. Поскольку в этих измерениях масштабы вариаций плотности занимают интервал от нескольких десятков до нескольких сотен км, они соответствуют масштабам неоднородностей в нижней ионосфере, где происходит диссипация ВГВ. Действительно, если неоднородность имеет масштаб ${{\lambda }_{ \bot }}$ поперек геомагнитного поля, то поляризационное электрическое поле этой неоднородности проектируется вдоль силовой линии на расстояние ${{l}_{\parallel }} = {{\lambda }_{ \bot }}\sqrt {{{{{\sigma }_{\parallel }}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\sigma }_{\parallel }}} {{{\sigma }_{P}}}}} \right. \kern-0em} {{{\sigma }_{P}}}}} $, где ${{\sigma }_{\parallel }}$ и ${{\sigma }_{P}}$ – продольная (вдоль силовых линий) и педерсеновская проводимость, соответственно (Kelley, 2009). Отношение $\sqrt {{{{{\sigma }_{\parallel }}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\sigma }_{\parallel }}} {{{\sigma }_{P}}}}} \right. \kern-0em} {{{\sigma }_{P}}}}} \approx $ 60 на высоте 100 км, поэтому вывод о соответствии масштабов в нижней и верхней ионосфере справедлив.