1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химическая физика
  4. T. 39, № 10, 2020

Химическая физика, 2020, T. 39, № 10, стр. 57-68

Статистический анализ ионосферного отклика на геомагнитные бури с использованием данных глобальных ионосферных карт

К. Г. Ратовский 1, *, М. В. Клименко 2, Ю. В. Ясюкевич 1, А. М. Веснин 1, В. В. Клименко 2

1 Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия

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

* E-mail: ratovsky@iszf.irk.ru

Поступила в редакцию 07.05.2020
После доработки 07.05.2020
Принята к публикации 20.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Цель работы – статистический анализ ионосферного отклика на геомагнитные бури с использованием данных глобальных ионосферных карт (global ionospheric maps (GIM)). В качестве ионосферных характеристик, рассчитываемых из глобальных с использованием GIM, выбраны глобальное электронное содержание и среднезональные значения полного электронного содержания для пяти широтных зон (экваториальная зона, среднеширотные зоны Северного и Южного полушарий и высокоширотные зоны Северного и Южного полушарий). Результаты статистического анализа обсуждаются с точки зрения концепции ионосферно-термосферной бури, в рамках которой ионосферные возмущения есть следствие изменения термосферных параметров (нейтрального состава термосферы и ветра). Противоречия концепции термосферно-ионосферной бури обсуждаются с точки зрения методических аспектов статистического анализа и эффектов, находящихся вне указанной концепции.

Ключевые слова: статистический анализ, ионосфера, геомагнитная буря, глобальные ионосферные карты.

ВВЕДЕНИЕ

Дневные значения электронной концентрации в ионосфере Земли связаны с изменениями скорости ионообразования и возрастают с ростом солнечной активности [1, 2], причем зимой – гораздо сильней, чем летом [3]. На ионосферу Земли также влияют процессы в магнитосфере (через высыпания частиц, джоулев нагрев магнитосферно-ионосферные токи и проникновение электрического поля магнитосферного происхождения) [2, 4–6] и нижележащей атмосфере (через приливы, планетарные и внутренние гравитационные волны) [7–12]. В настоящей работе продолжены начатые в работе [13] исследования ионосферного отклика на геомагнитные бури на основе статистического анализа. Последний является реализацией метода наложенных эпох, представляющего собой усреднение ионосферных откликов относительно ключевых дат, характеризующих определенную фазу геомагнитной бури (детально метод анализа описан в разд. 1). Среднее значение ионосферного отклика интерпретируется как детерминированная компонента, обусловленная воздействием собственно геомагнитной бури. Разброс значений отклика относительно среднего значения, характеризуемый среднеквадратичным отклонением, интерпретируется как случайная компонента, обусловленная влиянием других (не буревых) факторов, связанных с солнечной активностью и процессами в атмосфере.

В работе [13] на основе статистического анализа было проведено исследование ионосферного отклика на геомагнитные бури с использованием данных о максимуме электронной концентрации (NmF2), полученных с Иркутского и Калининградского ионозондов. Статистический анализ NmF2 позволил получить два основных результата:

1) поведение ионосферного отклика в начале фазы восстановления геомагнитной бури хорошо согласуется с известной концепцией сезонной зависимости ионосферного отклика на геомагнитные бури [1, 7, 14–16]: отклик наиболее отрицателен летом и наименее отрицателен (или даже положителен) зимой с промежуточными значениями весной и осенью;

2) для изолированных и сильных геомагнитных бурь были выявлены так называемые эффекты последействий (положительные возмущения NmF2, наблюдаемые в дневное время на 3–5-тый день после начала фазы восстановления). На основе численного моделирования с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) [17–19] было показано, что эффекты последействий объясняются увеличением плотности атомарного кислорода за счет его переноса из экваториальных в средние широты на фазе последействия геомагнитной бури [6, 13, 20]. В свою очередь, этот перенос обусловлен дополнительным градиентом давления нейтрального газа от низких широт к высоким. Градиент возникает из-за появления избыточной плотности нейтрального газа на низких широтах за счет переноса кислорода от авроральнных широт в сторону экватора в главную фазу геомагнитной бури.

При проведении статистического анализа NmF2 [13] некоторые вопросы остаются открытыми. Важной частью процесса формирования эффектов последействий является появление избыточной плотности нейтрального газа на низких широтах за счет переноса кислорода от авроральнных широт в сторону экватора в главную фазу геомагнитной бури. Согласно результатам модельных расчетов на основе ГСМ ТИП, этот процесс должен сопровождаться положительным возмущением электронной концентрации на экваториальных широтах. Однако проверить эту гипотезу с помощью данных среднеширотных ионозондов не представлялось возможным. Анализ характеристик, рассчитываемых из данных глобальных ионосферных карт (global ionospheric maps (GIM)) для различных широтных зон, может позволить косвенно проверить гипотезу о переносе кислорода от авроральнных широт в сторону экватора и формировании положительных возмущений электронной концентрации в главную фазу геомагнитной бури.

Статистический анализ показал, что соотношение детерминированной и случайной компонент ионосферного отклика в начале фазы восстановления составляет ∼1, а на фазе эффектов последействия – не превышает 0.35. Было выдвинуто предположение, что случайная составляющая ионосферного отклика обусловлена взаимодействием процессов, вызванных собственно магнитной бурей, и процессами, связанными со всеми видами атмосферной активности. Одной из ионосферных характеристик, которые могут быть рассчитаны из данных GIM, является глобальное электронное содержание (global electron content (GEC)). Исследования показали, что GEC хорошо коррелирует с динамикой УФ-излучения Солнца [21, 22]. При этом изменчивость GEC характеризуется выраженными 11-летними, годовыми, полугодовыми, 27-дневными, а также суточными вариациями. Предположительно, эта характеристика по сравнению с NmF2 в гораздо меньшей степени подвержена влиянию процессов, связанных со всеми видами атмосферной активности, и ее использование должно привести к повышению соотношения детерминированной и случайной компонент ионосферного отклика на геомагнитные бури.

В работе [23] отмечается незначительная связь 27-дневных вариаций глобального электронного содержания и Ap-индекса при наличии широтной зависимости отклика ионосферы на геомагнитные бури. Было показано, что вклад геомагнитной активности в электронное содержание отрицателен на высоких геомагнитных широтах, возрастает с уменьшением геомагнитной широты и становится положительным на низких широтах. В работах [24, 25] был выделен двухфазный профиль отклика глобального электронного содержания на геомагнитные бури. Было показано, что GEC превышает фоновые значения в течение ~24 ч на 10–20%, после чего возникает отрицательная фаза с понижением значений на 10–20% в течение ~40 ч во время фазы восстановления. Чен с соавт. в работе [26] показали значимую коорреляцию (> 0.8) отклика GEC на слабую геомагнитную возмущенность в условиях глубокого минимума солнечной активности 2007–2009 гг., при том, что в 2003–2005 гг. в условиях сильных геомагинтных бурь корреляция отклика и индекса Ap на малых масштабах практически отсутствовала.

Таким образом, данные глобальных ионосферных карт были использованы по следующим причинам: 1) сопоставление результатов статистического анализа с концепцией термосферной бури [7, 13–16, 27, 28], в рамках которой ионосферные возмущения являются следствием изменения термосферных параметров (нейтрального состава термосферы и ветра); 2) проверка возможности повышения соотношения детерминированной и случайной компонент ионосферного отклика; 3) проверка наличия/отсутствия эффектов последействий в отношении параметров, которые могут быть рассчитаны из данных глобальных ионосферных карт.

1. МЕТОД СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ИОНОСФЕРНОГО ОТКЛИКА НА ГЕОМАГНИТНЫЕ БУРИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ГЛОБАЛЬНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ КАРТ

1.1. Ионосферные данные

В данной работе мы используем глобальные ионосферные карты, рассчитываемые лабораторией CODE (ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/), входящей в консорциум IGS [29]. Изначально GIM представляют собой матрицу значений полного электронного содержания (total electron content (TEC)) для данного дня года (DoY) и момента всемирного времени (UT). Каждая ячейка представляет собой значение TEC для данной широты (Lat) и долготы (Long). Таким образом, исходные данные представляют собой TEC как функцию четырех переменных: TEC(DoY, UT, Lat, Long). Изначально матрица значений TEC задается в географической системе координат, однако может быть легко пересчитана для любой другой системы координат. В данной работе используется система скорректированных геомагнитных координат.

Глобальное электронное содержание эквивалентно общему количеству электронов в ионосфере Земли до высот орбиты навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС (~20 000 км) [30]. Впервые данный параметр был введен в работе проф. Э.Л. Афраймовича [21]. Идея использования этого параметра в геофизических исследованиях и метод расчета GEC были рассмотрены в работе [31]. По определению из [31], GEC рассчитывается по следующей формуле:

(1)
${\text{GEC(DoY,UT)}} = \sum\limits_{{\text{Lat}} = - 90}^{90} {\sum\limits_{{\text{Long}} = 0}^{360} {{\text{TEC}}({\text{DoY}},{\text{UT}},{\text{Lat}},{\text{Long}})} } S({\text{Lat}},{\text{Long}}),$
где S(Lat, Long) – площадь соответствующей широтно-долготной ячейки. В данной работе использовалось среднесуточное значение GEC, т.е.

(2)
$\begin{gathered} {\text{GEC}}({\text{DoY}}) = \\ \frac{1}{{24}}\sum\limits_{{\text{UT}} = 0}^{24} {\sum\limits_{{\text{Lat}} = - 90}^{90} {\sum\limits_{{\text{Long}} = 0}^{360} {{\text{TEC(DoY,UT,Lat,Long)}}} } } \times \\ \times \,\,S({\text{Lat,Long}}). \\ \end{gathered} $

По аналогии с GEC так называемое региональное электронное содержание (regional electron content (REC)), определяющее число электронов в выбранном широтно-долготном регионе [32], может быть рассчитано по формуле, аналогичной (1), (2), с тем отличием, что суммирование ведется по определенному широтно-долготному региону с нормированием на региональную площадь [33]. В этом случае нормировка позволяет получать величины одного порядка для разных регионов. Такой подход позволяет сравнивать значения REC в разных областях, а также получать величины GEC на основе инструментов другого типа, например, спутниковых высотомеров [34]. В данной работе использовались среднезональные значения TEC для пяти широтных зон:

(3)
$\begin{gathered} {\text{TEC}}({\text{DoY}},{\text{Lat}}0) = \frac{1}{{24}}\frac{1}{S} \times \\ \times \,\,\sum\limits_{{\text{UT}} = 0}^{24} {\sum\limits_{{\text{Lat}} = {\text{Lat}}1}^{{\text{Lat2}}} {\sum\limits_{{\text{Long}} = 0}^{360} {{\text{TEC(DoY,UT,Lat,Long)}}} } } \times \\ \times \,\,S({\text{Lat,Long}}), \\ \end{gathered} $

где S – площадь широтной зоны, Lat1 и Lat2 – границы широтной зоны, Lat0 = (Lat1 + Lat2)/2 – центральная широта широтной зоны. Для пяти выбранных широтных зон использовались следующие обозначения и границы по скорректированной геомагнитной широте: экваториальная зона (±30°), среднеширотные зоны Северного (30–60°) и Южного (–30...–60°) полушарий, высокоширотные зоны Северного (60–90°) и Южного (–60…–90°) полушарий.

1.2. Метод идентификации геомагнитных бурь и выбора ключевых дат

Метод идентификации геомагнитных бурь с использованием базы данных геомагнитных индексов Dst аналогичен методу, использованному в работе [13]. Событие рассматривалось как магнитная буря при выполнении следующих условий: 1) значение Dst(t0) является наименьшим на временнóм интервале t0 ± 12 ч, и 2) Dst(t0) ≤ –50 нТл; здесь t0 – время, соответствующее концу главной фазы и началу фазы восстановления геомагнитной бури. Все бури были разделены на четыре типа: изолированные (временнóй интервал между соседними бурями t0 ≥ 5 дней); неизолированные (указанный интервал не превышает 5 дней); слабые (Dst(t0) > –100 нТл) и сильные (Dst(t0) ≤ –100 нТл). В каждой группе бури делились по сезонам: зима (декабрь–февраль); весна (март–май); лето (июнь–август) и осень (сентябрь–ноябрь). В работе были использованы данные глобальных ионосферных карт за 1999–2017 гг. За этот период по вышеописанному методу было выявлено 535 геомагнитных бурь (см. табл. 1). Необходимо отметить, что изолированные бури преимущественно слабые (только 20 событий из 141 относятся к типу сильных), и, соответственно, сильные бури преимущественно неизолированные (только 20 событий из 94 относятся к типу изолированных).

Таблица 1.

Число бурь различных типов в разные сезоны

Тип бури Всего Зима Весна Лето Осень
Изолированные 141 32 40 32 37
Неизолированные 394 57 116 63 158
Сильные 94 9 22 20 43
Слабые 441 80 134 75 152

1.3. Метод расчета возмущений и реализация метода наложенных эпох

Метод расчета возмущений ионосферных характеристик в целом аналогичен методу, использованному в работе [13] для исследования отклика NmF2 на среднеширотных станциях. Для произвольной характеристики F возмущение (ΔF) представляет собой отклонение (в %) наблюдаемого значения (Fobs) от 27-дневного скользящего среднего значения (F27):

(4)
$\Delta F = {{\left( {{{F}_{{obs}}}--{{F}_{{27}}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{{F}_{{obs}}}--{{F}_{{27}}}} \right)} {{{F}_{{27}}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{{27}}}}} \cdot 100\% .$

Усреднение ионосферных откликов осуществлялось для дня, соответствующего моменту t0 (день 0), пяти предыдущих дней (день (–5), …, день (–1)) и пяти следующих дней (день 1, …, день 5). Для каждой ячейки, соответствующей данному типу бури, сезону и дню до и после t0, рассчитывались средние значения возмущений (〈ΔF〉) и среднеквадратичные отклонения возмущений (σF). В качестве ионосферных характеристик F в данном исследовании фигурируют значения GEC и среднезональные значения TEC для пяти широтных зон (экваториальная зона, среднеширотные и высокоширотные зоны Северного и Южного полушарий). Аналогичный статистический анализ был осуществлен для значений индекса солнечной активности F10.7 с целью установления корреляционной связи между геомагнитными бурями и вариациями солнечного потока. Если магнитные бури происходят в произвольной фазе 27-дневных вариаций F10.7, то ожидается существенное превышение σF10.7 над 〈ΔF10.7〉. В противном случае, когда магнитные бури преимущественно происходят, например, вблизи максимума 27-дневных вариаций F10.7, ожидаются положительные значения 〈ΔF10.7〉, превышающие σF10.7.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА GEC

На рис. 1 показаны вариации 〈ΔGEC〉 и σGEC в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для изолированных, неизолированных, сильных и слабых бурь. Для изолированных бурь основным признаком ионосферного отклика являются положительные значения 〈ΔGEC〉 в день 0. Значения 〈ΔGEC〉 в день 0 больше весной и осенью (~7%), чем зимой и летом (~3%). Положительный отклик, наблюдаемый в день 0, означает увеличение GEC, что косвенно подтверждает гипотезу о формировании положительных возмущений электронной концентрации в главную фазу бури за счет переноса кислорода от авроральнных широт в сторону экватора [13]. Еще одной причиной положительных возмущений GEC является дополнительный ветер к экватору, приводящий к подъему плазмы в область меньших скоростей химических потерь. Более высокая амплитуда положительного отклика весной и осенью, чем зимой и летом, возможно, связана с различной фоновой атмосферной циркуляцией: более сильной в периоды солнцестояния и более слабой в периоды равноденствия. Если весной и осенью ионосферный отклик практически всегда неотрицателен, то зимой и летом наблюдаются отрицательные эффекты в день 1 и дни (–4) и (–5). Отрицательный эффект в день 1, по всей видимости, объясняется интегральным превалированием отрицательных возмущений в высокоширотной и среднеширотной ионосфере (которые максимальны в день 1) над положительными возмущениями в низких и экваториальных широтах. Отрицательные эффекты, наблюдаемые в дни (–4) и (–5), будут рассмотрены отдельно в следующем разделе при анализе ионосферного отклика в TEC для экваториальной зоны.

Рис. 1.

Вариации 〈ΔGEC〉 (сплошная линия) и σGEC (штриховая) в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для различных типов бурь. Черные и серые линии без кружков показывают результаты для зимы и лета соответственно. Черные и серые линии с кружками показывают результаты для осени и весны соответственно.

Ионосферный отклик на сильные бури заметно отличается от ионосферного отклика на изолированные бури. Наибольшие положительные значения 〈ΔGEC〉 наблюдаются в период день (–3)–день (–1), что может объясняться наложением положительных эффектов различных бурь (согласно табл. 1, сильные бури являются в основном неизолированными). Для сильных бурь отрицательные значения 〈ΔGEC〉, наблюдаемые в день 1, сопоставимы по величине либо превышают положительные значения, наблюдавшиеся в предшествующие дни. С одной стороны этот результат согласуется с выводами работы [34]. С другой стороны, учитывая, что в случае изолированных бурь весной и осенью значения 〈ΔGEC〉 практически всегда неотрицательны, отрицательные значения 〈ΔGEC〉 в день 1 не могут объясняться простым наложением эффектов различных бурь. Объяснение этого эффекта будет представлено в следующем разделе при анализе ионосферного отклика в TEC для различных широтных зон. Как видно из рис. 1, поведение 〈ΔGEC〉 для зимы существенно отличается от поведения 〈ΔGEC〉 для других сезонов и характеризуется необычайно высоким положительным значением 〈ΔGEC〉, наблюдаемым в день 1 (~10% зимой по сравнению с ~4% в другие сезоны). Это различие связано с небольшим количеством сильных зимних бурь и чрезвычайно высоким положительным ΔGEC (~40%) во время одной из них (сильная геомагнитная буря 18 февраля 1999 г. [35]). Исключение этого события из статистики снижает 〈ΔGEC〉 до ~5%. Объяснение причины такого высокого положительного ΔGEС представляет особый интерес, однако выходит за рамки данного исследования.

Статистические результаты для неизолированных и слабых магнитных бурь менее информативны по сравнению со случаями изолированных и сильных бурь. Поведение 〈ΔGEC〉 для неизолированных бурь напоминает поведение 〈ΔGEC〉 для сильных бурь, при этом амплитуды откликов более слабые в силу смешения эффектов сильных и слабых бурь. Поведение 〈ΔGEC〉 для слабых бурь напоминает поведение 〈ΔGEC〉 для изолированных бурь, при этом амплитуды откликов более слабые в силу наложения эффектов неизолированных бурь. Этот результат согласуется с выводами работы [13] о большей информативности результатов статистического анализа изолированных и сильных бурь.

Сопоставление детерминированной (〈ΔGEC〉) и случайной (σGEC) компонент отклика в глобальном электронном содержании показало, что наибольшие значения 〈ΔGEC〉 близки к σGEC (близкий результат был получен при статистическом анализе NmF2 [13]). Таким образом, использование GEC вместо NmF2 не привело к повышению соотношения детерминированной и случайной компонент ионосферного отклика. По всей видимости, основной причиной разброса значений ΔGEC является, в свою очередь, разброс значений солнечного потока во время различных магнитных бурь. Статистический анализ индекса солнечной активности F10.7 показал, что в основном σF10.7 намного превышает 〈ΔF10.7〉, при этом значения σF10.7 и σGEC близки друг к другу.

Статистический анализ GEC в отличие от аналогичного анализа NmF2 не выявил явных эффектов последействий (положительных возмущений, наблюдаемых на 3–5-тый день после начала фазы восстановления геомагнитной бури).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГОАНАЛИЗА СРЕДНЕЗОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ TEC ДЛЯ ПЯТИ ШИРОТНЫХ ЗОН

Описание результатов статистического анализа в этом разделе отличается от описания, приведенного в предыдущем разделе. Здесь мы не приводим значений σTEC, поскольку сопоставление детерминированной (〈ΔTEC〉) и случайной (σTEC) компонент отклика дает приблизительно тот же результат, что и для GEC и NmF2. Здесь мы ограничиваемся анализом отклика только на изолированные и сильные бури, поскольку отклики именно на эти типы бурь являются наиболее информативными. Мы добавляем также анализ вариаций 〈ΔF10.7〉 для исследования влияния солнечного потока на ионосферный отклик.

3.1. Изолированные бури

На рис. 2 показаны вариации 〈ΔTEC〉 для пяти широтных зон и вариации 〈ΔF10.7〉 в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для случая изолированных бурь. Основным эффектом в экваториальной зоне является положительный отклик в день 0 (начало фазы восстановления) со значениями 〈ΔTEC〉 от ~4–5% зимой и летом до ~7–8% осенью и весной с восстановлением до невозмущенного уровня на 3–4-тый день после дня 0 (кроме весны). Этот эффект полностью согласуется с результатами, полученными для GEC, и, таким образом, подтверждает формирование положительных возмущений электронной концентрации в экваториальной зоне во время главной фазы бури за счет переноса кислорода от авроральнных широт к экватору [13].

Рис. 2.

Вариации 〈ΔTEC〉 для пяти широтных зон и вариации 〈ΔF10.7〉 в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для случая изолированных бурь. Черная сплошная, черная штриховая, серая сплошная и черная линия с кружками показывают результаты, полученные для зимы, весны, лета и осени соответственно. В левой колонке (сверху вниз) показаны 〈ΔTEC〉 соответственно для экваториальной зоны, среднеширотной и высокоширотной зон Северного полушария. В правой колонке (сверху вниз) показаны 〈ΔF10.7〉, 〈ΔTEC〉 для среднеширотной зоны Южного полушария и 〈ΔTEC〉 для высокоширотной зоны Южного полушария.

Интересным (хотя и второстепенным) эффектом является асимметрия поведения 〈ΔTEC〉 в предбуревой и послебуревой периоды. В период день (–5)–день (–2) значения 〈ΔTEC〉 преимущественно отрицательны, тогда как в дни 2–5 значения 〈ΔTEC〉 преимущественно положительны, т.е. происходит возрастание 〈ΔTEC〉 от дня (–5) к дню 5. Указанное поведение 〈ΔTEC〉 может объясняться поведением 〈ΔF10.7〉 (при этом только качественно) только для весны и лета. Таким образом, для объяснения асимметрии поведения 〈ΔTEC〉 в предбуревой и послебуревой периоды должна существовать причина (неясная на сегодняшний момент), не связанная с изменением солнечного потока, но, возможно, связанная с эффектами последействия.

Основным эффектом в среднеширотной зоне Северного полушария являются отклики в дни 0 и 1. В день 0 положительный отклик хорошо выражен зимой и осенью (~11–13%), слабее выражен весной и показывает близкие к нулю значения летом. В день 1 отрицательный отклик хорошо выражен летом (~ –10%), слабее выражен весной и осенью и показывает близкие к нулю значения зимой. Второстепенными эффектами в среднеширотной зоне Северного полушария являются следующие: положительный отклик в день (–1) – день до начала фазы восстановления весной, летом и осенью (~7–8%), отрицательный предвестник зимой (~ –3%), отрицательный эффект последействия бури зимой (~ –3%) и положительный эффект последействия бури летом (~3%). Все отмеченные эффекты среднеширотной зоны Северного полушария (включая второстепенные эффекты) повторяются в Южном полушарии, с той лишь разницей, что зиму следует заменить на лето, весну – на осень и т.д. (т.е. эффекты повторяются в терминах локальной зимы, локальной весны и т.д.). Следует отметить, что имеется некоторое различие в положительных эффектах последействия бури: в Южном полушарии этот эффект имеет место не только для локального лета, но и для локальной весны.

Идентичность откликов для Северного и Южного полушарий в терминах локальных сезонов, по-видимому, указывает на то, что все отмеченные эффекты (включая второстепенные) являются следствием именно геомагнитных бурь, а не результатом влияния других факторов (процессов в нижней атмосфере и короткопериодных вариаций солнечной активности). Действительно, получая идентичные отклики в Северном и Южном полушариях в терминах локальных сезонов, в действительности мы имеем дело с различными бурями, происходящими в различное время, с различным влиянием других факторов. Количественное различие заключается в том, что в Южном полушарии основные эффекты выглядят более контрастным: как положительные (~16%), так и отрицательные (~ –13%) эффекты имеют большую амплитуду. Следует обратить внимание на асимметрию весеннего и осеннего поведения 〈ΔTEC〉: весеннее поведение ближе к летнему, а осеннее – к зимнему. Интерпретация всех отмеченных эффектов будет рассмотрена в следующем разделе.

Основным эффектом в высокоширотной зоне Северного полушария являются отклики в день 0. Именно в этот день наблюдается как наибольший положительный отклик (зима, ~15%), так и наибольший отрицательный отклик (лето, ~ –12%), при этом последовательность перехода от положительного к отрицательному отклику такая же, как в средних широтах (зима–осень–весна–лето). В отличие от средних широт наибольший отрицательный отклик наблюдается в день 0, а не в день 1. Интересно отметить повторяемость второстепенных эффектов в высоко- и среднеширотной зонах Северного полушария. В отличие от средних широт отклик в высокоширотной зоне Северного полушария не повторяется в Южном полушарии. Наибольшие отрицательные отклики (вплоть до –15% локальным летом) наблюдаются в день 1 (а не в день 0), а наибольшие положительные отклики (до 10% для всех сезонов, за исключением локального лета) – в день (–1), а не в день 0. Основной проблемой для интерпретации являются положительные отклики, наблюдаемые в дни 0 и (–1). Этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе.

3.2. Сильные бури

На рис. 3 показаны вариации 〈ΔTEC〉 для пяти широтных зон и вариации 〈ΔF10.7〉 в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для случая сильных бурь. В экваториальной зоне, в отличие от случая изолированных бурь, положительный отклик для сильных бурь нечетко выражен в день 0. При этом амплитуда положительного отклика меньше, чем в случае изолированных бурь, за исключением зимы (последний случай является следствием небольшого количества сильных зимних бурь и доминирующего влияния одной бури с большим положительным откликом). В отличие от случая изолированных бурь, отклик TEC в экваториальной зоне не повторяет отклик GEC. Основное различие заключается в значительном уменьшении отрицательного отклика, наблюдаемого в день 1. Как будет показано ниже, отрицательный отклик GEC в основном обусловлен отрицательным откликом на средних и высоких широтах. Отклик TEC в экваториальной зоне на сильные бури в целом положителен, за исключением случая летних бурь. Сопоставление поведения 〈ΔTEC〉 и 〈ΔF10.7〉 показывает, что для обоих параметров характерен переход от положительных значений в день (–5) к отрицательным значениям в день 5, при этом для летних бурь имеет место наибольшая разница между значениями в день (–5) и день 5. Таким образом, наиболее вероятным объяснением отрицательного отклика на сильные летние бури является отрицательная тенденция изменения солнечной активности.

Рис. 3.

Вариации 〈ΔTEC〉 для пяти широтных зон и вариации 〈ΔF10.7〉 в течение 5 дней до и после начала фазы восстановления для случая сильных бурь (Dst < –100). Черная сплошная, черная штриховая, серая сплошная и черная линия с кружками показывают результаты, полученные для зимы, весны, лета и осени соответственно. В левой колонке (сверху вниз) показаны 〈ΔTEC〉 для экваториальной зоны, 〈ΔTEC〉 для среднеширотной зоны Северного полушария и 〈ΔTEC〉 для высокоширотной зоны Северного полушария. В правой колонке (сверху вниз) показаны 〈ΔF10.7〉, 〈ΔTEC〉 для среднеширотной зоны Южного полушария и 〈ΔTEC〉 для высокоширотной зоны Южного полушария.

В среднеширотной зоне, как и в случае изолированных бурь, основными проявлениями сильных бурь для обоих полушарий были отклики в дни 0 и 1, причем с повторением тех же самых сезонных закономерностей: наиболее положительные отклики наблюдаются локальной зимой (~15–19%), а наиболее отрицательные – локальным летом (~ –18…–19%). Количественное различие заключается в возрастании амплитуды как наибольшего положительного, так и наибольшего отрицательного отклика. Положительный отклик в день (–1) – день до начала фазы восстановления – в случае сильных бурь также присутствует. Главное различие сильных и изолированных бурь – отсутствие повторяемости малозначительных эффектов в Северном и Южном полушариях.

В высокоширотной зоне основные закономерности отклика, отмеченные для изолированных бурь, близки к закономерностям, наблюдаемым для сильных бурь. Для Северного полушария основное отличие сильных бурь заключается в смещении наибольшего положительного отклика со дня 0 на день (–1). Для Южного полушария основные закономерности ионосферного отклика на изолированные и сильные бури повторяются. Количественным отличием случая сильных бурь от случая изолированных бурь является возрастание амплитуды отрицательного отклика (вплоть до –21%). Как и в случае изолированных бурь, основной проблемой для интерпретации являются положительные отклики, наблюдаемые в дни 0 и (–1). Этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе.

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В этом разделе результаты статистического анализа обсуждаются с точки зрения концепции термосферной бури [7, 13–16, 27, 28], в рамках которой ионосферные возмущения есть следствие изменения термосферных параметров (состав и ветер). Термосферная буря начинается в главную фазу геомагнитной бури с разогрева нижней термосферы в авроральных широтах за счет увеличения джоулева нагрева и усиления авроральных высыпаний. Разогрев приводит к увеличению концентрации как молекулярного азота n(N2), так и атомарного кислорода n(O) в верхней термосфере. Избыточное давление в авроральных широтах приводит к переносу воздуха с авроральных широт в сторону экватора. Перенос молекулярного азота, как более тяжелого газа, охватывает высокоширотную зону и часть среднеширотной зоны. Перенос атомарного кислорода, как более легкого газа, охватывает все широтные зоны, вплоть до экваториальной зоны. На фазе последействия геомагнитной бури происходит обратный процесс переноса атомарного кислорода от экваториальных широт в средне- и высокоширотную зону. Разогрев нижней термосферы в авроральных широтах приводит не только к изменению состава, но и к изменению нейтрального ветра: усиливается ветер, направленный к экватору (ночные условия), и ослабляется ветер, направленный к полюсу (дневные условия). И то и другое изменение ветра ведет к подъему ионосферной плазмы вверх (т.е. к перемещению плазмы в область меньшей скорости рекомбинации) относительно спокойных условий. Сезонная картина термосферной бури определяется сезонной картиной фоновой циркуляции. Фоновый дневной ветер, направленный от экватора к полюсу, препятствует переносу молекулярного азота от авроральных широт к средним. Зимой дневной ветер сильнее, чем летом, поэтому эффект ослабления переноса N2 выражен сильнее. К увеличению электронной концентрации, а значит, положительному отклику в статистическом анализе приводит возрастание n(O) и изменение ветра. К уменьшению электронной концентрации, а значит отрицательному отклику в статистическом анализе, приводит возрастание n(N2).

В итоге в различных широтных зонах ожидаются следующие отклики вблизи начала фазы восстановления. В экваториальной зоне ожидается только положительный отклик, обусловленный ростом n(O) и изменением ветра. Возрастания n(N2) не ожидается из-за ограниченности проникновения молекулярного азота в среднеширотную и высокоширотную зоны. В среднеширотной зоне возможен как положительный, так и отрицательный отклик в зависимости от соотношения эффектов возрастания n(O), n(N2) и изменения ветра. Итоговый эффект зависит от силы бури, широты и сезона. Ожидается следующая сезонная картина: наиболее отрицательный отклик ожидается локальным летом, а наиболее положительный – локальной зимой с промежуточными значениями весной и осенью. В высокоширотной зоне ожидается только отрицательный отклик, обусловленный ростом n(N2). Возрастания n(O) не ожидается из-за переноса избыточного атомарного кислорода в среднеширотную и экваториальную зоны. Дополнительно к отклику вблизи начала фазы восстановления в среднеширотной зоне ожидаются эффекты последействия, т.е. положительные отклики на 3–5-тый день после начала фазы восстановления.

4.1. Экваториальная зона

Для изолированных бурь положительный отклик в день 0 полностью соответствует ожидаемому результату. Для сильных бурь положительный отклик не противоречит ожидаемому результату, за исключением случая летних бурь, когда имел место отрицательный отклик, который может объясняться отрицательной тенденцией изменения солнечной активности. Для изолированных бурь асимметрия поведения отклика в предбуревой и послебуревой периоды не связана с изменением солнечной активности. Причина такого поведения в настоящий момент неясна и требует дальнейших исследований.

4.2. Среднеширотная зона

Как для изолированных, так и для сильных бурь поведение отклика в дни 0 и 1 с учетом сезонных закономерностей полностью соответствует ожидаемому результату. Тот факт, что отклик в день 1 является более отрицательным, чем в день 0, может быть объяснен запаздыванием возрастания n(N2) относительно роста n(O) и изменения ветра в силу большей инерционности увеличения концентрации молекулярного азота. Асимметрия весеннего и осеннего поведения отклика (весеннее поведение ближе к летнему, а осеннее – к зимнему) возможно связана с разбиением сезонов по календарным месяцам. Интересно, что при статистическом анализе NmF2 [13] такая асимметрия была выражена гораздо слабее.

Положительный отклик в день (–1) – день до начала фазы восстановления, по всей видимости, объясняется следующим. Особенность принятой схемы статистического анализа заключается в усреднении откликов с точностью до одного дня. Возможна ситуация, когда фаза восстановления приходится на день 0, в то время как главная фаза бури приходится на предыдущий день (день (–1)). С учетом запаздывания возрастания n(N2) относительно роста n(O) и изменения ветра, в главной фазе ожидается увеличение электронной концентрации, что и объясняет положительный отклик в день (–1).

Эффекты последействия, т.е. положительные отклики на 3–5-тый день после начала фазы восстановления, наблюдаются для локального лета в обоих полушариях и для локальной весны в Южном полушарии. Этот результат несколько расходится с результатами работы [13], где весна называлась в качестве наиболее благоприятного сезона для проявления эффектов последействий. Теоретические объяснения сезонных закономерностей эффектов последействий в настоящее время отсутствуют, и поэтому данный вопрос требует дальнейших исследований.

Отрицательный предвестник и отрицательный эффект последействия, наблюдаемые локальной зимой, по всей видимости, связаны с методическими особенностями выбранной схемы статистического анализа. Положительный отклик в дни 0 и 1 на бури, произошедшие локальной зимой, приводит к завышению 27-дневной скользящей средней относительно невозмущенного уровня. Завышение предполагаемого невозмущенного уровня приводит к появлению “ложного” предвестника и “ложного” эффекта последействия.

4.3. Высокоширотная зона

Наиболее отрицательный отклик в день 1 (по сравнению с другими широтными зонами) соответствует ожидаемому результату. В то же время положительные отклики, наблюдаемые в дни 0 и (–1), противоречат концепции термосферной бури из-за отсутствия причин для положительного отклика в высокоширотной зоне. Для объяснения данного противоречия на сегодняшний момент может быть выдвинуто три версии.

Первая версия связана с методом построения глобальных ионосферных карт, рассчитываемых лабораторией CODE на основе гармонической аппроксимации, вследствие чего эффекты средних широт проецируются на высокоширотную зону. В пользу этой версии говорит повторяемость морфологии ионосферного отклика в средних и высоких широтах Северного полушария.

Вторая версия связана с особенностью выбранной ионосферной характеристики. Разогрев электронов в главной фазе бури ведет к увеличению масштабной высоты внешней ионосферы и, как следствие, к увеличению электронного содержания на высотах выше 800–1000 км (см., например, [6, 36]). Важным условием реализации положительного возмущения является опережение возрастания масштабной высоты относительно роста n(N2).

Третья версия связана с наличием причин положительного возмущения электронной концентрации, что противоречит концепции термосферной бури. Таким явлением может быть перенос плазмы из средних и низких широт в высокоширотную зону, индуцированный усилением электрического поля ионосферной конвекции (storm-enhanced plasma density (SED) [37]). На данный момент все три версии являются предположениями, требующими дальнейшей проверки.

4.4. Глобальное электронное содержание

Положительный отклик глобального электронного содержания для случая изолированных бурь подтверждает формирование положительных возмущений электронной концентрации в главную фазу геомагнитной бури за счет переноса кислорода от авроральнных широт в сторону экватора. Отрицательный отклик глобального электронного содержания для случая сильных бурь объясняется изменением баланса отрицательных возмущений в высоких и средних широтах и положительных возмущений в экваториальных широтах относительно случая изолированных бурь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом статистического анализа ионосферного отклика на геомагнитные бури с использованием данных глобальных ионосферных карт получены следующие основные результаты.

Идентичность откликов для среднеширотных зон Северного и Южного полушарий в терминах локальных сезонов указывает на то, что полученные статистические данные являются следствием эффектов геомагнитных бурь, а не результатом влияния других факторов (процессов в нижней атмосфере и короткопериодных вариаций солнечной активности).

Ионосферные отклики в экваториальной зоне и среднеширотных зонах Северного и Южного полушарий подтверждают основные выводы концепции термосферной бури, в рамках которой ионосферные возмущения есть следствие изменения термосферных параметров (нейтрального состава термосферы и ветра). Сезонная зависимость ионосферного отклика согласуется с концепцией влияния фоновой атмосферной циркуляции на эффекты термосферной бури. Наиболее отрицательный ионосферный отклик, наблюдаемый через один день после начала фазы восстановления, объясняется запаздыванием возрастания концентрации молекулярного азота относительно роста концентрации атомарного кислорода и изменения нейтрального ветра.

Статистический анализ среднезонального полного электронного содержания в среднеширотных зонах выявил наличие эффектов последействия для локального лета в обоих полушариях и для локальной весны в Южном полушарии. Этот результат несколько расходится с результатами статистического анализа максимума электронной концентрации, где весна называлась в качестве наиболее благоприятного сезона для проявления эффектов последействий. Теоретические объяснения сезонных закономерностей эффектов последействий в настоящее время отсутствуют, и поэтому данный вопрос требует дальнейших исследований.

Ионосферный отклик в высокоширотных зонах Северного и Южного полушарий показал двоякий результат. С одной стороны, наиболее отрицательный отклик (по сравнению с другими широтными зонами) согласуется с концепцией термосферной бури. С другой стороны, положительные отклики, наблюдаемые в начале фазы восстановления и до этого периода, противоречат концепции термосферной бури, согласно которой причин для положительного отклика в высокоширотной зоне нет. Для объяснения данного противоречия на сегодняшний момент может быть выдвинуто три версии. Первая версия связана с методом построения глобальных ионосферных карт на основе гармонической аппроксимации, вследствие чего эффекты средних широт проецируются на высокоширотную зону. Вторая версия связана с увеличением масштабной высоты внешней ионосферы из-за разогрева электронов в главной фазе бури. Третья версия связана с наличием причин положительного возмущения электронной концентрации, что противоречит концепции термосферной бури. На данный момент все три версии являются предположениями, требующими дальнейшей проверки.

Авторы благодарны лаборатории CODE за доступ к данным глобальных ионосферных карт через веб-сайт ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/, а также Центру данных о физике космоса НАСА (NASA’s Space Physics Data Facility, SPDF) за использование геомагнитных и солнечных индексов через веб-сайт http://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html. Исходные ряды ГЭС получены в рамках проекта РНФ № 17-77-20005 с использованием системы SIMuRG (https://simurg.iszf.irk.ru/).

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российским фондом фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 18-05-00594. В работе использованы методы, полученные в рамках базового финансирования программы ФНИ II.12.

Список литературы

  1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. // Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.

  2. Абдуллаев А.Р., Марков А.В., Клименко М.В. и др. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 12. С. 39; https://doi.org/10.7868/S0207401X17120020

  3. Клименко М.В., Клименко В.В., Захаренкова И.Е. и др. // Хим. физика. 2019. Т. 38. №10. С. 83; https://doi.org/10.1134/S0207401X19070082

  4. Araujo-Pradere E.A., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V. et al. // Radio Sci. 2005. V. 40. RS5009; https://doi.org/10.1029/2004RS003179

  5. Кореньков Ю.Н., Бессараб Ф.С., Клименко В.В. и др. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 10. С. 67; https://doi.org/10.7868/S0207401X1710003X

  6. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Despirak I.V. et al. // J. Atmosph. Sol.-Terr. Phys. 2018. V. 180. P. 78; https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.12.017

  7. Rishbeth H., Mendillo M. // Ibid. 2001. V. 63. P. 1661; https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00036-0

  8. Deminov M.G., Deminova G.F., Zherebtsov G.A. et al. // Advances in Space Research. 2013. V. 51. № 5. P. 702–711; https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.09.037

  9. Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V. // Adv. Space Res. 2015. V. 55. № 8. P. 2041; https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.08.001

  10. 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

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

  12. Клименко В.В., Клименко М.В., Бессараб Ф.С. и др. // Хим. физика. 2019. Т. 38. № 7. С. 86; https://doi.org/10.1134/S0207401X19070070

  13. Ратовский К.Г., Клименко М.В., Клименко В.В. и др. // Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4. № 4. С. 32; https://doi.org/10.12737/szf-44201804

  14. Buonsanto M.J. // Space Sci. Rev. 1999. V. 88. № 3–4. P. 563; https://doi.org/10.1023/A:1005107532631

  15. Mikhailov A.V. // Fis. Tierra. 2000. V. 12. P. 223.

  16. Prölss G.W. // Ann. Geophys. 1993. V. 11. № 1. P. 1.

  17. Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Forster M. et al. // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A7. P. 14697; https://doi.org/10.1029/98JA00210

  18. Бессараб Ф.С., Кореньков Ю.Н., Голубков М.Г. // Хим. физика. 2011. Т. 30. № 5. С. 16.

  19. Кореньков Ю.Н., Бессараб Ф.С., Клименко В.В. и др. // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 9. С. 54; https://doi.org/10.7868/S0207401X13090094

  20. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E. et al. // Ann. Geophys. 2017. V. 35. P. 923; https://doi.org/10.5194/angeo-35-923-2017

  21. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В. // ДАН. 2006. Т. 409. № 3. С. 399.

  22. Yasyukevich Yu.V., Yasyukevich A.S., Zhivetiev I.V. // IEEE Proc. (Prog. in Electromagn. Res. Sympos.). 2018. P. 2422; https://doi.org/10.23919/PIERS.2018.8597938

  23. Yao Y., Zhai C., Kong J. et al. // J. Geod. 2017. V. 91. P. 1299; https://doi.org/10.1007/s00190-017-1026-x

  24. Gulyaeva T.L., Veselovsky I.S. // Adv. Space Res. 2014. V. 53. № 3. P. 403; https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.11.036

  25. Yenen S.D., Gulyaeva T.L., Arikan F. et al. // Ibid. 2015. V. 56. № 7. P. 1343; https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.06.025

  26. Chen Y., Liu L., Le H. et al. // J. Geophys. Res. Space Phys. 2014. V. 119. P. 3747; https://doi.org/10.1002/2013JA019692

  27. Mayr H.G., Harris I., Spencer N.W. // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16. P. 539; https://doi.org/10.1029/RG016i004p00539

  28. Field P.R., Rishbeth H. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1997. V. 59. № 2. P. 163; https://doi.org/10.1016/S1364-6826(96)00085-5

  29. Hernández-Pajares M., Juan J.M., Sanz J. et al. // J. Geod. 2009. V. 83. P. 263; https://doi.org/10.1007/s00190-008-0266-1

  30. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Oinats A.V. et al. // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 335; https://doi.org/10.5194/angeo-26-335-2008

  31. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Oinats A.V. et al. // Adv. Space Res. 2008. V. 42. P. 763; https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.11.007

  32. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В. и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. V. 48. № 2. P. 195.

  33. Hocke K. // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A04302; https://doi.org/10.1029/2007JA012798

  34. Ясюкевич Ю.В., Едемский И.К., Перевалова Н.П. и др. Отклик ионосферы на гелио- и геофизические возмущающие факторы по данным GPS. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013.

  35. Aponte. N., Gonzalez S.A., Kelley M.C. et al. // Geoph. Res. Lett. 2000. V. 27. № 18. P. 2833; https://doi.org/10.1029/2000GL000025

  36. Liu J., Wang W., Burns A. et al. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 727; https://doi.org/10.1002/2015JA021832

  37. Foster J.C. // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. № A2. P. 1675; https://doi.org/10.1029/92JA02032

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал