Химическая физика, 2019, T. 38, № 7, стр. 79-85

Пространственно-временные вариации ионосферы во время метеорологического возмущения в декабре 2010 г.

И. В. Карпов 12*, М. И. Карпов 12, О. П. Борчевкина 12, Г. А. Якимова 1, Н. А. Коренькова 1

1 Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук
Калининград, Россия

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

* E-mail: ivkarpov@inbox.ru

Поступила в редакцию 15.02.2019
После доработки 10.03.2019
Принята к публикации 20.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлены результаты наблюдений динамики параметров атмосферы и ионосферы, выполненных в период прохождения метеорологического шторма над Калининградским регионом в декабре 2010 г. Анализ наблюдений показал, что ионосферные неоднородности на средних широтах, возникающие в периоды метеорологических возмущений, проявляются в понижении амплитудных значений полного электронного содержания (total electron content (TEC)) и критической частоты F2‑слоя на 33% и 15% соответственно. Показано, что метеорологические возмущения среднеширотной атмосферы могут проявляться в ионосфере и в приэкваториальных широтах в виде повышенных значений TEC, что указывает на сложный характер физических процессов, определяющих связи динамических процессов в нижней и верхней атмосфере.

Ключевые слова: метеорологическое возмущение, ионосфера, полное электронное содержание, акустико-гравитационные волны, вертикальное зондирование, глобальные навигационные спутниковые системы, реанализ.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее важные факторы, воздействующие на состояние ионосферы, связаны с солнечной и геомагнитной активностью. Однако влияние процессов в нижней атмосфере (от так называемых метеорологических источников) на состояние и динамику верхней атмосферы нельзя недооценивать. Так, по оценкам, сделанным в работах [1, 2], вклад таких источников составляет порядка 15–30% от всех факторов изменчивости ионосферы при спокойной геомагнитной обстановке. Современные экспериментальные исследования показывают, что активные динамические процессы в нижней атмосфере, такие как прохождение атмосферных фронтов, развитие метеорологических штормов, тропических циклонов, тайфунов, ураганов, струйных течений и т.д., вызывают разнообразные ионосферные эффекты. К ним относятся перемещающиеся ионосферные возмущения, возмущения электрического поля, полного электронного содержания (total electron content (TEC)), возникновение оптических эмиссий, явлений F-рассеивания и другие процессы [38].

Менее экстремальные метеорологические явления, чем тайфуны и ураганы, также представляют интерес при исследовании их влияния на вариации параметров ионосферы. Так, в работе [9] выявлены изменения критических частот F2‑слоя в период сильного понижения атмосферного давления в Московском регионе. Отклонения foF2 (критической частоты F2-слоя ионосферы) составили 10–15% относительно медианных значений и были как отрицательными (днем), так и положительными (ночью). В работах [1013] проанализированы несколько метеорологических событий, произошедших в Калининградской области. Во время усилений приземного ветра до 6–9 баллов по шкале Бофорта были зарегистрированы значительные уменьшения foF2 и TEC, достигающие 30% и 50% соответственно.

Теоретические представления о генерации ионосферных возмущений, вызванных развитием метеорологических процессов, основываются на возможности генерации акустико-гравитационных волн в области их возмущения, вертикального распространения и диссипации на высотах термосферы [1417]. Теоретические оценки эффектов диссипации акустико-гравитационных волн подтверждают возможность существенного влияния процессов диссипации таких волн на состояние термосферы и ионосферы [1821].

В представленной работе приведены результаты наблюдений динамики параметров атмосферы и ионосферы, выполненных в декабре 2010 г. в период мощного метеорологического возмущения, развивавшегося над европейским регионом. Результаты анализа ионосферных возмущений позволят оценить сложность процессов в ионосфере, инициированных развитием метеорологических возмущений.

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящей работе приведены результаты наблюдений динамики ионосферного параметра TEC, определяющего количество электронов в ионосфере и рассчитанного по фазовым задержкам сигналов спутников глобальных навигационных спутниковых систем, а также часовых измерений foF2, выполненных на ст. Калининград (54° N, 20° E) в период метеорологических возмущений в декабре 2010 г. Для анализа вариаций атмосферных параметров в этот период использовались трехчасовые метеорологические данные с сайта www.rp5.ru. Пространственно-временные вариации атмосферного давления и TEC над указанным регионом исследованы по данным реанализа MERRA-2 (The Modern-Era Retrospectiveanalysis for Researchand Applications version 2), доступным с временным разрешением 1 ч и пространственным разрешением 0.5° и 0.625° по широте и долготе соответственно [22]. Для исследования пространственных масштабов ионосферного возмущения анализировались глобальные карты TEC по данным IGS (International GNSS Service) c разрешением 2.5° и 5° по широте и долготе соответственно [23].

На рис. 1 представлены результаты измерений атмосферного давления, приведенные к среднему уровню моря, максимальные значения скорости порывов ветра на высоте 10–12 м над земной поверхностью (параметр ff3), значения TEC и foF2 на станции в Калининграде, а также индексы геомагнитной активности Kp, Dst и AE в период 5–12 декабря 2010 г. Тонкими линиями показаны средние значения TEC и foF2 за 13 дней до и после соответствующего момента времени.

Рис. 1.

Измерения атмосферного давления, максимальных порывов ветра, индексов геомагнитной активности Kp, Dst и AE, TEC и foF2 в Калининграде с 5 по 12 декабря 2010 г.

Как видно из рис. 1, период 5–8 декабря 2010 г. характеризуется умеренной геомагнитной активностью. Во второй половине дня 08.12.2010 г. зарегистрирована суббуря, когда индекс Kp достиг трех, а значение AE индекса достигло 441 нТл. В эти дни на ст. Калининград наблюдаются повышенные ночные значения TEC, достигающие 40% относительно осредненных величин. В дневных значениях не наблюдается каких-либо значительных отклонений. В вариациях критической частоты F2-слоя наблюдается уменьшение foF2 в период 15:00–18:00 UT 5–6 декабря 2010 г. на 15–33% относительно средних значений.

С 9 по 11 декабря 2010 г. геомагнитная обстановка остается спокойной. Значение Kp-индекса близко к нулю, Dst-индекс варьируется в пределах от –15 до 3 нТл, не претерпевая резких изменений. Значения TEC и foF2 меньше как средних значений, так и измеренных в предыдущие дни. В день 09.12.2010 г. величины ТЕС и foF2 близки к своим средним значениям. Однако в 10:00–14:00 следующего дня, т.е. 10.12.2010 г. уменьшение TEC достигает 32%, а foF2 – 15%. Следующее уменьшение TEC вплоть до 22% отмечается в 10:00 12.12.2010 г. К сожалению, вертикальное зондирование ионосферы на ст. Калининград в этот день не проводилось по техническим причинам.

Понижения значений TEC и foF2, зарегистрированные на ст. Калининград после 09.12.2010 г., приходятся на фазу восстановления ионосферы после геомагнитного возмущения 08.12.2010 г. и на периоды изменения атмосферного давления на фоне усиления скорости порывов ветра. В период 9–10 декабря 2010 г. в Калининградском регионе развились штормовые метеорологические условия с усилением скорости порывов ветра до 7 баллов по шкале Бофорта, которые стали следствием изменения метеорологической обстановки на северо-западе и северо-востоке Европы.

На рис. 2 представлены карты приземного давления по данным реанализа MERRA-2 по состоянию на 12:00 UT в период с 5 по 12 декабря 2010 г. Рассмотрено изменение давления в области, ограниченной широтами от 0° до 70° N и долготами от 20° W до 40° E. Как видно из рис. 2, атмосферное давление в области южнее 30° N не претерпевает особых изменений в течение всего рассматриваемого периода. При этом с 08.12.2010 г. с северной Атлантики на Западную Европу надвигается область повышенного давления в полосе широт 50–60° N, а на следующий день над Восточной Европой образуется область пониженного давления. К 12.12.2010 г. область повышенного давления наблюдается только над северо-западной частью региона (в Великобритании и Исландии), в то время как метеорологическая обстановка на северо-востоке возвращается к состоянию, близкому к дню 08.12.2010 г. Таким образом, Калининград оказался между областями повышенного и пониженного давления к западу и востоку, что и определило неустойчивые погодные условия в период 09–11.12. 2010 г. Усиления скорости порывов ветра 10.12.2010 г. превышают 13 м/с, что соответствует 7 баллам по шкале Бофорта. Именно в этот период отмечаются максимальные понижения TEC (см. рис. 1).

Рис. 2.

Карты приземного давления по данным MERRA-2 в 12:00 UT с 5 по 12 декабря 2010 г.

На рис. 3 представлены карты вариаций TEC для рассматриваемого региона в период 06:00–16:00 UT c 5 по 12 декабря 2010 г. Как видно из рис. 3, 08.12.2010 г. наблюдается изменение значений ТЕС по сравнению с предыдущими днями на широтах, значительно меньших широт области метеорологического возмущения, особенно заметное в области гребня экваториальной ионизационной аномалии и, видимо, связанное с усилением геомагнитной активности. На следующий день, т.е. 09.12.2010 г., во время фазы восстановления после геомагнитного возмущения наблюдается понижение значений TEC, а 10.12.2010 г. амплитудные значения ТЕС в этой области восстанавливаются до значений, соответствующих дням спокойной геомагнитной активности и отсутствию метеорологических возмущений. В этот же день на широтах ≈50° N в Калининградском регионе проявляется область пониженных значений TEC, а в окрестности ≈20° N, 0° E (северо-запад Африки) образуется область повышенных значений TEC. Днем 11.12.2010 г. в приэкваториальной области отмечаются понижения значений ТЕС, сравнимые с возмущениями, вызванными геомагнитным возмущением 08.12.2010 г. В этот день единственным фактором, оказывающим влияние на состояние приэкваториальной области ионосферы, могли быть процессы в верхней атмосфере, инициированные развитием метеорологического возмущения на средних широтах. К 12.12.2010 г., пространственное распределение ТЕС возвращается к своему исходному состоянию в период 5–7 декабря 2010 г.

Рис. 3.

Карты TEC по данным IGS в период 06:00–16:00 UT с 5 по 12 декабря 2010 г.

ОБСУЖДЕНИЕ

Пространственно-временные вариации атмосферных и ионосферных параметров, представленные на рис. 2 и 3, демонстрируют, что развитие метеорологического шторма сопровождается образованием 10.12.2010 г. ограниченной области с пониженными дневными значениями TEC между регионами повышенного и пониженного приземного атмосферного давления к западу и востоку от эпицентра метеорологического возмущения, а также зоны повышенных значений в приэкваториальной области. Уменьшения foF2 и TEC по данным измерений на ст. Калининград, находящейся в эпицентре события, составили 15% и 33% относительно средних значений, что несколько меньше, чем в аналогичных исследованиях в данном регионе [1013].

Для более детальной оценки динамики верхней атмосферы во время развития метеорологического события были проанализированы вариации TEC на пунктах HERT (Хейлшем, Великобритания, 51° N, 0° E), WROC (Вроцлав, Польша, 51° N, 17° E) и MOBK (Обнинск, Россия, 55° N, 37° E), расположенных на одной широте с Калининградом, а также данные приэкваториальной станции SFER (Масполамас, Канарские острова, 28° N, 17° W). Суточные вариации ТЕС на этих станциях представлены на рис. 4. Из этого рисунка видно, что 08.12.2010 г. на всех среднеширотных станциях наблюдаются эффекты умеренно возмущенной геомагнитной обстановки в виде повышения TEC относительно средних значений и постепенное возвращение к норме к 12.12.2010 г. В отличие от калининградской станции каких-либо существенных изменений в поведении TEC не наблюдается. Таким образом, отклик ионосферы на усиление амплитуды скорости порывов ветра в Калининграде в виде уменьшений TEC и foF2 имеет локальный характер и пространственный масштаб не превышает 500 км.

Рис. 4.

Вариации TEC на станциях HERT (а), WROC (б), MOBK (в) и SFER (г) с 5 по 12 декабря 2010 г.

На приэкваториальной станции SFER вариации TEC имеют свои особенности. В период 5–7 декабря 2010 г. отчетливо видна реакция на изменение геомагнитной активности (изменение Dst-индекса в рассматриваемый период) и отклонения TEC от средних значений. Отклик на геомагнитное возмущение 08.12.2010 г. практически не выражен по сравнению со средними широтами. Однако 10.12.2010 г. во второй половине дня наблюдается резкое увеличение TEC, не связанное с геомагнитной активностью, которое на следующий день сменяется резким снижением амплитудных значений суточных вариаций ТЕС. Наблюдения на станции в эти дни отражают картину изменений пространственно-временного распределения TEC, представленную на рис. 3, и подтверждают образование положительной аномалии и связь ионосферных возмущений с метеорологическими процессами на средних широтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в представленной работе наблюдения динамики параметров атмосферы и ионосферы над европейским регионом показали, что метеорологические возмущения в нижней атмосфере, сопровождающиеся повышением амплитуды скорости порывов ветра, влияют на состояние ионосферы. Ионосферные возмущения проявляются в понижении амплитудных значений ионосферного параметра ТЕС на 30% и электронной концентрации в максимуме F2-слоя на 15% в области над эпицентром метеорологического возмущения, а также в повышении значений TEC в приэкваториальной области. На следующий день область уменьшенных значений TEC оказывается смещенной к югу, что отражает динамику развития метеорологического возмущения.

Пространственные масштабы области ионосферных возмущений превышают масштабы области метеорологических возмущений. Изменения состояния приэкваториальной ионосферы в отсутствие геомагнитных возмущений могут быть инициированы электродинамическими процессами, развивающимися в условиях метеорологических возмущений среднеширотной атмосферы. Наличие таких связей указывает на сложный характер физических процессов, влияющих на формирование ионосферных возмущений.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантами Российского фонда фундаментальных исследований № 18-05-00184 а (И.В. Карпов) и № 17-05-00574 а (О.П. Борчевкина).

Список литературы

  1. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2000. V. 62. № 8. P. 685; https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00029-8

  2. Rishbeth H., Mendillo M. // Ibid. 2001. V. 63. № 15. P. 1661; https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00036-0

  3. Martinis C.R., Manzano J.R. // Ann. Geoph. 1999. V. 42. № 1. P. 1; https://doi.org/10.4401/ag-3708

  4. Исаев Н.В., Костин В.М., Беляев Г.Г., Овчаренко О.Я., Трушкина Е.П. // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. № 2. С. 253.

  5. Polyakova A.S., Perevalova N.P. // Adv. Space Res. 2013. V. 52. P. 1416; https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.07.029

  6. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovsky K.G. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2015. V. 136. P. 235; https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.07.006

  7. Chou M.Y., Lin C.C.H., Yue J. et al. // Geoph. Res. Lett. 2017. V. 44. № 3. P. 1219; https://doi.org/10.1002/2016GL072205

  8. Li W., Yue J., Wu S. et al. // GPS Sol. 2018. V. 22. № 61; https://doi.org/10.1007/s10291-018-0722-1

  9. Депуев В.Х., Депуева А.Х. // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. № 6. С. 833.

  10. Борчевкина О.П., Карпов И.В., Ильминская А.В. // Метеор. вестн. 2016. Т. 8. № 3. С. 30.

  11. Борчевкина О.П., Карпов И.В. // Геомагн. аэрон. 2017. Т. 57. № 5. С. 670; https://doi.org/10.7868/S0016794017040046

  12. Карпов И.В., Борчевкина О.П., Дадашев Р.З., Ильминская А.В. // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. № 2. С. 64; https://doi.org/10.12737/18653

  13. Карпов И.В., Кшевецкий С.П., Борчевкина О.П. и др. // Хим. физика. 2016. Т. 35. № 1. P. 59; https://doi.org/10.7868/S0207401X16010064

  14. Medvedev A.S., Gavrilov N.M. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1995. V. 57. P. 1221; https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00008-P

  15. Fritts D.C., Alexander M.J. // Rev. Geoph. 2003. V. 41. № 1; https://doi.org/10.1029/2001RG000106

  16. Yigit E., Medvedev A.S. // Adv. Space Res. 2015. V. 55. P. 983; https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.11.020

  17. Plougonven R., Zhang F. // Rev. Geoph. 2014. V. 52. № 1. P. 33; https://doi.org/10.1002/2012RG000419

  18. Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Кореньков Ю.Н. и др. // Хим. физика. 2016. Т. 35. № 1. С. 49; https://doi.org/10.7868/S0207401X16010052

  19. Карпов И.В., Кшевецкий С.П. // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 4. С. 553; https://doi.org/10.7868/S001679401404018X

  20. Karpov I., Kshevetskii S. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2017. V. 164. P. 89; https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.07.019

  21. Васильев П.А., Карпов И.В., Кшевецкий С.П. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 12. С. 56; https://doi.org/10.7868/S0207401X17120135

  22. Gelaro R., McCarty W., Suarez M. et al. // J. Climate. 2017. V. 30. P. 5419; https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0758.1

  23. Hernandez-Pajares M., Juan J.M., Sanz J. et al. // J. Geodesy. 2009. V. 83. № 3–4. P. 263; https://doi.org/10.1007/s00190-008-0266-1

Дополнительные материалы отсутствуют.