Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 380-385

Магнитная буря 17 марта 2015 г.

Как показано ниже, во время главной фазы бури Москва находилась в зоне высыпаний аврорального овала. Из третьей панели рис. 1а видно, что наблюдается предбуревое изменение критической частоты, начавшееся примерно 8 марта, т.е. за несколько суток до начала бури. В этот период в ночные часы foF2 увеличивается, а в дневные падает, хотя среднее значение остается на уровне ~6 МГц. Значительных изменений в положении высоты HmF2 не наблюдается. Как видно на нижней панели рисунка, происходит плавное, вплоть до фонового, уменьшение dFs (уровень dFs ≤ 0.25 МГц обычно рассматривается как отсутствие рассеяния, т.е. считается фоновым). Внезапное начало бури сопровождается резким, до 12 МГц, всплеском критической частоты с последующим ее падением до ~2 МГц на главной фазе бури, уменьшением высоты слоя и небольшим нарастанием dFs во время главной фазы бури. Увеличение динамического давления солнечного ветра до ~ 28 нПа также регистрируется в период главной фазы бури. В начале фазы восстановления, при |SYM/H| < 0, начинается рост величины foF2, которая достигает предбуревого значения лишь через несколько суток. Высота слоя также претерпевает изменения – после смещения от ~250 до ~150 км она возвращается к предбуревому уровню. Уширение сигнала по частоте dFs сразу после главной фазы бури становится фоновым, а потом увеличивается одновременно с ростом foF2. Таким образом, в данном событии независимо от знака SYM/H мы наблюдаем как уменьшение, так и рост dFs при увеличении критической частоты слоя. Эти ситуации отмечены на рисунке красными сплошными линиями. Следует заметить, что в течение бури 17 марта 2015 г. слой F2 периодически перекрывался нижележащей ионизацией: спорадическим слоем от авроральных высыпаний, как это видно на левой ионограмме рис. 3, или слоем F1, что тоже бывает при больших бурях. При этом автоматический алгоритм не мог правильно определить параметр dFs. Отсюда, возможно, и описанное выше поведение dFs во время этой бури. 20 марта имело место солнечное затмение, вносящее специфический вклад в ионосферные процессы, поэтому поведение dFs после 20 марта не рассматривается.

Буря 22–23 июня 2015 г.

Поведение ионосферы в этой магнитной буре существенно отличается от рассмотренного выше события. Как видно из рис. 1б, до начала возмущения изменение критической частоты довольно хаотично, его среднее значение составляет ~6 МГц. Средняя высота слоя ~250 км. В течение ~3 суток, c 19:30 UT 19 июня по 18:35 UT 22 июня, магнитное поле спокойно, dFs остается фоновым, в пределах 0.25 МГц, вплоть до начала бури и резкого увеличения до ~40 нПа в 19:30 UT динамического давления солнечного ветра. Рост P_sw сопровождается перестройкой ионосферы: резко, до ~3 МГц падает критическая частота слоя, растет до ~400 км его высота. Критическая частота начинает восстанавливаться еще до начала фазы восстановления бури, в период уменьшения P_sw. Слой F2 регистрируется на высоте ~150 км. Как и в предыдущем случае, критическая частота не восстанавливается до предбуревого значения. С началом фазы восстановления регистрируется рост как foF2, так и HmF2. Что касается dFs, то его поведение в период главной фазы и в начале фазы восстановления детально будет показано на следующем рисунке. Геомагнитные условия в период главной фазы и в начале фазы восстановления каждой из бурь иллюстрирует рис. 2. Сверху вниз показаны индексы геомагнитной активности AL и SYM/H, динамическое давление солнечного ветра (P_sw) и F2-рассеяние (dFs). Черными вертикальными линиями выделены главные фазы бури. Рисунки 2в, 2г и 2д показывают глобальную картину авроральных высыпаний во время, выделенное на рис. 2а и 2б красными штриховыми линиями. Положение областей различных типов высыпаний получено с помощью модели APM [6].

Рис. 2.

Геомагнитные условия (а, б) и глобальные распределения авроральных высыпаний во время главной фазы магнитных бурь 17 марта (в) и 22–23 июня 2015 г. (г, д). Положение Москвы отмечено красной звездочкой, зеленым цветом обозначен овал полярных сияний, синий цвет – зона жестких диффузных высыпаний, красный цвет – зона мягких диффузных высыпаний.

В левой части рис. 2 представлены данные c 16 по19 марта 2015 г. Как видно из рисунка, 17 марта в 21:35 UT (AL = –1283 нТл, SYM/H = –182 нТл, P_sw = 3.2 нПа) станция находилась в полуночном секторе на экваториальной кромке авроральных высыпаний. В течение всей главной фазы бури рассеяние в области F2 ионосферы незначительно увеличилось, но оставалось слабым, близким к фоновому уровню. Динамическое давление солнечного ветра достигало ~28 нПа, что привело, как это будет показано ниже, к значительному дополнительному смещению границы авроральных высыпаний в низкие широты. Правая часть рисунка иллюстрирует ситуацию во время июньской бури. Как видно на нижней панели рис. 2б, до начала возмущения dFs было фоновым. Резкий рост динамического давления сопровождается значительным увеличением рассеяния. Динамика изменений dFs такова, что по форме она совпадает с формой изменения P_sw и по времени заканчивается одновременно с уменьшением давления еще до окончания главной фазы бури. Величина dFs уменьшается с 0.8 до 0.4 МГц. Таким образом, в процессах, происходящих во время данной бури, существенную роль, наряду с магнитной активностью, играет высокое динамическое давление солнечного ветра.

На рис. 2г представлено модельное глобальное распределение авроральных высыпаний в 19:30 UT, в период начала главной фазы магнитной бури при высоком уровне P_sw. Входные параметры модели: AL = –365 нТл, Dst = –47 нТл. Москва, положение которой отмечено красной звездочкой на рисунке, при таких параметрах геомагнитной активности не попадает в зону авроральных высыпаний, поэтому наблюдение полярных сияний в таких условиях кажется невозможным. Однако известно, что во время этой бури полярные сияния наблюдались не только в Москве, но и на более южных широтах, т.е. в данном случае модель АРМ не вполне корректно отражает реальную ситуацию. Модель создана при условии среднего уровня динамического давления 2–3 нПа, но, как показано выше, в рассматриваемый период был зарегистрирован необычно высокий уровень P_sw. Известно, что с ростом P_sw происходит смещение авроральных высыпаний в более низкие широты. Для оценки величины такого смещения в рассматриваемом случае была использована следующая процедура. Рассмотрен пролет спутника DMSP F16 в 19:27–19:34 UT, близкий к началу бури. Время пролета отмечено на рис. 2б красной вертикальной штриховой линией. Динамическое давление солнечного ветра в это время составляло 40.5 нПа. По данным спутника F16 определено положение экваториальной границы авроральных высыпаний на широте 50.4° CGL. С помощью модели APM была смоделирована такая ситуация, когда в области траектории F16 данные спутника совпали с модельными значениями (рис. 2д). Красная звездочка иллюстрирует положение Москвы относительно зоны авроральных высыпаний с учетом высокого динамического давления. При этих условиях станция наблюдения располагается внутри зоны авроральных высыпаний. Из сравнения положений авроральных овалов на рис. 2г и 2д видно, что в данном случае динамическое давление солнечного ветра сдвигает границу овала примерно на 10° к югу. Во время бури 17 марта величина динамического давления солнечного ветра достигала ~28 нПа, поэтому мы можем прогнозировать, что Москва располагалась не на экваториальной кромке овала, а ближе к его центру, что и способствовало наблюдению мощных полярных сияний. Прохождение над Москвой зоны высыпаний во время главной фазы обеих бурь полностью подтверждается ионограммами, показанными на рис. 3. Следы от ~1.5 до ~4.7 МГц (б) на высотах от ~110 до ~160–190 км являются четкими признаками авроральных высыпаний.

Рис. 3.

Ионограммы во время главной фазы магнитных бурь: 17 марта в 19:46 UT (а) и 22–23 июня в 20:01 UT (б).

Для исследования зависимости уширения dFs от геомагнитной активности и динамического давления солнечного ветра были выбраны наблюдения после скачка давления в интервале от 19:16 UT 22 июня до 04:41 UT 23 июня. Это время главной фазы магнитной бури, в период которой Москва находилась в зоне авроральных высыпаний. Зависимость dFs от AL и SYM/H индексов и от Р_sw иллюстрируют рис. 4а, 4б и 4в. Сплошные линии на рис. 4 соответствуют уравнениям линейной регрессии с коэффициентами корреляции, r = 0.87, 0.71 и 0.80 соответственно. Как видно из рисунков, по мере увеличения магнитной активности и уменьшения величины P_sw уширение dFs уменьшается. В максимуме бури dFs ~ ~ 0.4 Мгц, что соответствует dFs при P_sw ~ 2–3 нПа, что мы и наблюдаем на рис. 4в. Такую динамику можно видеть и на рис. 2б: резкий рост dFs от фонового уровня до максимального 0.8 МГц и постепенное его уменьшение с ростом |AL| и |Dst| до 0.4 МГц, которое, вероятно, определяется влиянием P_sw на положение экваториальной границы высыпаний.

Рис. 4.

Зависимость dFs от индексов магнитной активности AL и SYM/H и динамического давления солнечного ветра Р_sw на главной фазе магнитной бури 22–23 июня 2015 г.