Химическая физика, 2020, T. 39, № 4, стр. 80-92

2.1. Обнаружение ионосферных неоднородностей различных масштабов

К настоящему моменту измерения временны́х задержек распространения радиосигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС являются одним из основных источников для мониторинга состояния ионосферы в глобальном масштабе в спокойных и возмущенных условиях. В работе [23] были введены в использование для наземных GPS-измерений две новые метрики – ROT и ROTI. Метрика ROT (Rate of TEC) представляет собой скорость изменения ПЭС на 1‑минутном интервале и является индикатором наличия фазовых флуктуаций сигнала. Метрика ROTI (Rate of TEC Index) как стандартное отклонение ROT на фиксированном временнóм интервале, характеризует интенсивность фазовых флуктуаций и используется для детектирования плазменных неоднородностей и пространственных градиентов. Эти метрики широко используются в сервисах космической погоды, а также в исследованиях высокоширотных и экваториальных плазменных неоднородностей по данным наземных GPS-приемников [19, 28, 29].

В настоящей работе для исследования возникновения ионосферных неоднородностей во время геомагнитных возмущений был проведен анализ GPS-данных с трех наземных станций: NRIL (Норильск, 69.3° с.ш., 88.3° в.д.), DIKS (Дикси, 73.5° с.ш., 80.4° в.д.) и NOVM (Новосибирск, 55.0° с.ш., 82.9° в.д.). Географическое расположение станций показано на приведенном ниже рис. 3. Данные станции предоставляют GPS-измерения с временны́м разрешением в 30 с, что позволяет использовать их для детектирования неоднородностей с пространственными масштабами в десятки-сотни километров. Для этого был проведен расчет вариации метрики ROT для всех видимых GPS-спутников (угол возвышения составлял более 20°) над станцией на суточном интервале. Данный вид измерений позволяет мониторить ионосферу в радиусе ~7°–10° относительно положения станции в горизонтальном масштабе. Дополнительно нами были использованы прямые (in situ) измерения электронной концентрации на высоте ~460 км по данным спутников Swarm и на высоте ~800 км по данным спутника DMSP F16.

Для исследования неоднородностей в нижней ионосфере (Е-область) мы провели анализ радиоэхо, зарегистрированных мощным крупноапертурным радаром УКВ-диапазона с северной ориентацией зоны обзора, расположенным в районе Красноярска (56° с.ш., 93° в.д.). Этот радар охватывает дальности до 2000 км в азимутальном секторе ~100° на угле места 3°. Период измерений радара составляет 5 с. Минимальный ракурсный угол для данного радара составляет 3°, что определяет принципиальную возможность наблюдения радиоавроры. Мы проанализировали диапазон высот от 80 до 150 км среди всех данных радара. Радиоэхо на высотах ~90–130 км соответствует: 1) радиоавроре [9, 30] – обратному ракурсному рассеянию радиоволн на магнитоориентированных ионосферных неоднородностях (МОН) с продольным размером, равным половине длины волны сигнала радара, т.е. примерно 35 см; 2) метеорным эхо [31] – радиоэхо от ионизированных следов метеоров, а также от их головной части.

Для регистрации ионосферных неоднородностей в КВ-диапазоне нами использовались данные ионозонда DPS-4, расположенного в Норильске. Станция вертикального зондирования работает с интервалом в 15 мин. Данные ионограмм были проанализированы, что позволило выявить моменты появления спорадического слоя Е-, F-рассеяния и полного поглощения радиосигнала (блэкаут) и сопоставить эти моменты с формированием неоднородностей, обнаруженных другими средствами.

2.2. Наблюдения параметров магнитосферно-ионосферного взаимодействия

Для анализа отклика локальных вариаций геомагнитного поля на геомагнитную бурю в работе были использованы данные магнитометра в Норильске (геомагнитные координаты: 59.9° с.ш., 166.7° в.д.). Обслуживание и обработка данных этого магнитометра осуществляется в Институте солнечно-земной физики СО РАН. В данном исследовании мы проанализировали изменения вертикальной компоненты геомагнитного поля dZ в виде разности значений этой компоненты в спокойных и возмущенных условиях: dZ = Z_s – Z_q, где Z_s и Z_q представляют собой вертикальные компоненты магнитного поля во время бури и для спокойного дня соответственно. В данном случае данные за 26 мая 2017 года использовались в качестве Z_q, а данные за 27 и 28 мая были выбраны в качестве Z_s. Отметим, что ось Z направлена в зенит.

Для исследования широтно-временной изменчивости системы продольных токов Биркеланда в период рассматриваемого события нами были использованы данные магнитометров спутниковой системы Иридиум, содержащей более 70 низкоорбитальных спутников (высота орбиты – 780 км). Проект AMPERE [32] использует спутники с наклонением, составляющим 86°, которые равномерно распределены между шестью одинаково расположенными орбитальными плоскостями. Это позволяет получать информацию по радиальной плотности тока, вычисленной в скорректированной геомагнитной системе координат. Спутниковая группировка AMPERE обеспечивает глобальные наблюдения продольных токов первой, второй и третьей зон над северными и южными высокоширотными регионами в интервале широт от 90° до 50°. Кроме того, для определения границы авроральных высыпаний и скоростей горизонтальных электромагнитных дрейфов мы использовали данные спутников DMSP.

3.1. Широтные границы ионосферных неоднородностей на разных высотах

На рис. 2 представлена зависимость радиоэхо (радиоаврора и метеорные эхо), зарегистрированных в диапазоне высот 90–130 км в период времени с 23:20 до 23:30 UT 27 мая 2017 года. Измеряемые радаром координаты: дальность, азимут и угол места, были пересчитаны в географические координаты точек отражения и нанесены на карту. Как видно из рис. 2, экваториальная граница радиоавроры равна ~66.5°, а полюсная – ~68°. Широтная протяженность радиоавроры объясняется геометрией ее наблюдения радаром: обратное рассеяние радиоволн от неоднородностей Е‑слоя ионосферы происходит в диапазоне высот 90–130 км. Долготная протяженность радиоавроры определяется двумя факторами – азимутальным сканированием радара в диапазоне ~100° и изменением ракурсных углов от 3° до ~15° в зависимости от азимута. С увеличением ракурсного угла уменьшается энергия сигнала, рассеянного от МОН [30], с 5 до 15 дБ на градус. Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и, соответственно, вероятности обнаружения радиоавроры.

Рис. 2.

Радиоэхо в диапазоне высот 90–130 км в координатах широта–долгота, зарегистрированное за интервал времени с 23:20 до 23:30 UT 27 мая 2017 года на УКВ-радаре в районе Красноярска.

На рис. 3 показаны географическое расположение трех GPS-станций (анализ данных которых будет представлен ниже) и проекция пролета спутника Swarm A (высота орбиты – 465 км) над рассматриваемым регионом около 00 UT 28 мая 2017 г. Справа на рис. 3 показано сравнение вариаций электронной концентрации вдоль пролета спутника Swarm A в день бури 28 мая 2017 г. и в спокойный день 26 мая 2017 г. В спокойный день ионосферные неоднородности слабой интенсивности наблюдались в основном полярнее 75°–80° с.ш. В возмущенный день 28 мая 2018 аналогичный пролет спутника, соответствующий ~07 LT (0 UT), зарегистрировал расширение зоны ионосферных неоднородностей до 60° с.ш. Следует отметить, что в возмущенных условиях, в отличие от спокойных, на этом пролете четко проявляется главный ионосферный провал (ГИП) на широте ~73° с.ш. При этом географическая широта минимума ГИП находится чуть севернее границы радиоавроры, показанной на рис. 2. Это говорит о том, что экваториальная стенка ГИП частично формируется за счет высыпаний авроральных электронов, ответственных за формирование неоднородностей на высотах нижней ионосферы, приводящих к радиоавроре. Граница неоднородностей на высотах пролета спутника Swarm A приблизительно совпадает с границами радиоавроры.

Рис. 3.

Левая панель – географическая карта с расположением трех GPS-станций NOVM, NRIL и DIKS и проекцией траектории полета спутника Swarm A (черная жирная линия) для 28 мая 2017 г. в период 0.14–0.35 UT. Правая панель – широтный профиль вариации электронной концентрации вдоль траектории полета спутника Swarm A в день бури 28 мая 2017 года (черная толстая линия) и в спокойный день 26 мая 2017 года (серая тонкая линия).

На рис. 4 показаны измерения концентрации электронов (а) и дрейфовые скорости ионов (б), полученные на спутнике DMSP F16 на высоте около 800 км, который пролетал над областью отражения радиосигналов радара. Можно отметить, что в поведении концентрации электронов на высотах внешней ионосферы как при пролете Swarm A, так и при пролете DMSP F16 наблюдаются флуктуации концентрации плазмы, связанные с ионосферными неоднородностями выше F2-слоя. В отличие от экваториальной границы радиоотражений, область этих неоднородностей начинается с ~61° с.ш., поэтому причина их возникновения не имеет прямой связи с радиоавророй. Таким образом, широтная протяженность регистрируемых неоднородностей отличается от протяженности неоднородностей на высотах Е-области ионосферы. Видно характерное различие в скорости дрейфа ионов экваториальнее и полярнее границы радиоавроры, в особенности в скорости горизонтального дрейфа. На более высоких широтах преобладает сильная конвекция плазмы, которая вызвана сильными электрическими полями в авроральной зоне.

Рис. 4.

Измерения концентрации электронов (а) и скорости дрейфа ионов (б), полученные при пролете спутника DMSP F16 27 мая 2017 г в период времени с 23:13 до 23:23 UT. По горизонтали отложена географическая широта положения спутника, по вертикали – концентрация (а) и скорость (б). Вертикальной чертой (~66.5° с.ш.) обозначена широта экваториальной границы радиоавроры. На рис. 4б жирной черной линией показан горизонтальный дрейф, тонкой серой линией – вертикальный дрейф скорости ионов.

На спектрограммах рис. 5 представлены измерения дифференциальных потоков электронов и ионов Н⁺ спутником DMSP F16. Из сравнения широтных границ радиоавроры (рис. 2) с границами авроральных высыпаний, так же как и с измерениями концентрации электронов и скорости дрейфа ионов (рис. 4), очевидна связь этих процессов. Из измерений видно, что основные высыпания энергичных частиц приходятся на зону до пересечения спутником области радиоотражений. Радиоаврора соответствует области высыпаний частиц с энергией 100–1000 эВ вблизи 66.5° с.ш. Границы радиоавроры находятся немного полярнее экваториальной границы авроральных высыпаний. Из вышеприведенного следует, что отражения радиоволн происходят на неоднородностях в нижней ионосфере, вызванных структурированными высыпаниями в области восходящего тока.

Рис. 5.

Измерения высыпаний электронов (а) и ионов (б), полученные на спутнике DMSP F16 27 мая 2017 г. Нижняя горизонтальная ось показывает время UT, на верхней горизонтальной оси отложена географическая широта положения спутника в данный момент времени. Вертикальная ось показывает энергию частиц в эВ. Черно-белой заливкой показана интенсивность дифференциального потока высокоэнергичных частиц (частица/(эВ ∙ ср ∙ с ∙ см²)). Вертикальной черной линией показана широта экваториальной границы радиоавроры.

3.2. Временнóе развитие возмущений

На рис. 6 представлена зависимость радиоэха УКВ-радара в координатах “Время–Высота” в азимутальном секторе ~100°. Вертикальными линиями выделены три случая: 1) спокойные геомагнитные условия в авроральной зоне и начальная фаза геомагнитной бури, которая привела к интенсивной радиоавроре (начало в ~22:33 UT 27 мая); 2) временнóй интервал длительностью ~1.5 ч (03:20–04:50 UT 28 мая), когда интенсивность радиоавроры резко уменьшилась; 3) временнóй интервал с эволюцией интенсивности радиоавроры от интенсивной до слабой в течение стадии восстановления геомагнитной бури. Для первого случая наблюдается резкий рост интенсивности радиоотражений в диапазоне высот от 100 до 130 км. Отражения во временнóй период 22:10–22:33 UT 27 мая соответствуют слабой радиоавроре и отражениям от метеоров. Интенсивная радиоаврора имела продолжительность ~13 ч – до 10:55 UT 28 мая 2017 года. В целом, рассматриваемый интервал времени охватывает комплексную и длительную геомагнитную бурю, состоящую из нескольких суббуревых активизаций.

Рис. 6.

Зависимость радиоэха по данным УКВ-радара в координатах “Высота–Время” за период 27–28 мая 2017 года. Черными точками показаны радиоэхо, зарегистрированные в уникальные моменты времени.

Явление спада интенсивности радиоавроры для второго случая (см. выше) в период 03:25–04:55 UT 28 мая 2017 года, вероятно, связано с уменьшением ионосферного электрического поля и сменой направления ионосферной конвекции [33]. Мы не обладаем непрерывным набором данных прямых измерений ионосферного электрического поля в рассматриваемом регионе, однако ниже будет представлен анализ временного распределения продольного тока для рассматриваемой бури по данным AMPERE.

На рис. 7 представлены вариации ROT для трех наземных GPS-станций, указанных на карте рис. 3, и всех наблюдаемых GPS-спутников в течение двух дней 27–28 мая 2017 г. Спутники регистрировались в радиусе ~7°–10° относительно положения станции в горизонтальном масштабе. Необходимо отметить, что в нормальных (невозмущенных) условиях для среднеширотных станций ROT обычно варьируется около нулевых значений, в пределах ±1 TECU/мин. На рис. 7 такая вариация ROT выглядит как горизонтальная линия с очень небольшими флуктуациями в течение всего периода наблюдения спутника (несколько часов). Как видно из рис. 7, до начала бури 27 мая 2017 г. на всех трех станциях наблюдается именно такое поведение индекса ROT. После начала возмущения наблюдалось значительное усиление флуктуаций значений ROT, превышающих 3–5 TECU/мин, что соотвествует интенсивным ионосферным неоднородностям. Усиление фазовых флуктуаций раньше всего (~16 UT 27 мая) было зафиксировано на более высокоширотной станции DIKS. На станции NRIL такие флуктуации были зарегистрированы после ~18–20 UT 27 мая и носили менее выраженный характер. С усилением авроральной активности (A_E > 1000 нТл) после ~22 UT 27 мая на высокоширотных станциях DIKS и NRIL регистрируется значительное усиление (ROT > ±5 TECU/мин) фазовых флуктуаций навигационных сигналов для всех видимых спутников. С дальнейшим развитием бури (~00–03 UT 28 мая) над станцией NRIL наблюдаются более интенсивные ионосферные неоднородности, чем для более высокоширотной станции DIKS, что связано с расширением и смещением овала авроральных неоднородностей к более низким широтам. Однако для среднеширотной станции NOVM вариации индекса ROT имели весьма спокойный характер как до, так и после начала бури. Последнее свидетельствует о том, что ионосферные неоднородности аврорального происхождения не достигли уровня в 55° с.ш. с развитием данной бури.

Рис. 7.

Вариации индекса ROT для наземных GPS-станций DIKS (а), NRIL (б) и NOVM (в) и всех наблюдаемых GPS-спутников в течение двух дней 27–28 мая 2017 г. На каждой панели вертикальная ось обозначает номер наблюдаемого GPS-спутника от 1 до 32; вертикальные черные штриховые линии соответствуют моментам времени 22:34, 03:23 и 04:54 UT.

На рис. 8 показаны примеры ионограмм по данным станции вертикального зондирования ионосферы в Норильске. Анализ последовательности ионограмм 27-го и 28-го мая показал, что: 1) четкие следы от E- и F2-слоев (а в дневное время – и от F1-слоя) видны 27 мая вплоть до 16:00 UT; 2) c 16:00 до 17:15 UT развивается E-слой; 3) с 17:45 до 20:00 UT ионограммы над Норильском очень изменчивы: полное поглощение сменяется сильным F-рассеянием (рис. 8а); 4) c 20:15 до 21:00 UT ионограммы указывают на развитие неоднородного спорадического E-слоя над Норильском (рис. 8б); 5) c 21:30 UT до 01:30 UT 28 мая информация на ионограммах практически отсутствует (в это время на ионограммах лишь в отдельные моменты времени можно увидеть часть следа от E-слоя); 6) c 01:30 до 03:00 UT 28 мая на ионограммах появляются отчетливые следы от спорадического слоя E (рис. 8в); 7) c 03:30 до 12:00 UT 28 мая информация на ионограммах практически отсутствует (в это время на ионограммах лишь в отдельные моменты времени можно увидеть часть следа от E-слоя). Отсутствие информации на ионограммах в конце 27 мая и половине суток 28 мая может быть обусловлено полным поглощением сигнала на высотах нижней ионосферы и значительным уменьшением концентрации в F-области над Норильском. Оба явления могут быть объяснены тем, что Норильск в это время находился в области авроральных и более жестких высыпаний энергичных частиц. Именно за счет уменьшения электронной концентрации в F-области даже в отсутствие регистрации ионосферных неоднородностей по данным радара с 03:30 до 04:50 UT 28 мая ионограммы не указывают на наличие следов от ионосферных слоев.

Рис. 8.

Ионограммы вертикального зондирования над Норильском для 19:00 UT 27 мая (а); 20:45 UT 27 мая (б); 02:45 UT 28 мая 2017 года (в).

Далее для исследования причин возникновения ионосферных неоднородностей в рассматриваемом регионе нами были использованы спутниковые и наземные данные вариаций магнитного поля и проведено их сравнение для спокойных и возмущенных условий. Мы проанализировали изменения вертикальной компоненты dZ геомагнитного поля в Норильске (рис. 9). На станции наблюдаются отрицательные вариации dZ с ~16:00 UT 27 мая, что соответствует сжатию магнитосферы (рис. 9а). Сжатие привело к увеличению компоненты Z, которая была направлена вниз в северном полушарии (отрицательная компонента Z). Следовательно, увеличение отрицательного значения компоненты Z привело к увеличению отрицательного dZ. С 22:00 до 24:00 UT наблюдались сильные вариации dZ. Они были созданы высокоширотным западным электроджетом. С 22:13 до 23:12 UT на магнитометре наблюдалось значительное возрастание dZ до величины в несколько сотен нТл. С 23:13 до 24:00 UT 27 мая наблюдались сильные отрицательные вариации dZ со значениями до 300 нТл. Эти изменения в магнитном поле были вызваны смещением западного электроджета с высоких широт через Норильск к экватору. С 00:00 до ~ 02:30 UT 28 мая (рис. 9б) наблюдались значительные вариации положительного значения dZ с амплитудой ~500 нТл. Эти изменения были связаны с сильным авроральным электроджетом и интенсивной авроральной активностью над Норильском. Другой временнóй интервал сильных вариаций отрицательных значений dZ с амплитудой до 600 нТл наблюдался в период с ~08:30 до ~11:00 UT 28 мая. Этот интервал соответствовал смещению западного электроджета к экватору и интенсивной авроральной активности южнее Норильска.

Рис. 9.

Отклонения вертикальной магнитной компоненты dZ во время геомагнитной бури 27 (а) и 28 мая 2017 года (б), полученные по данным магнитометра в Норильске.

Проведем сопоставление времен регистрации неоднородностей на различных инструментах с пространственно-временными изменениями продольных токов второй зоны, полученных в рамках эксперимента AMPERE на геомагнитной долготе Норильска. Данные радиальной плотности тока, представленные на рис. 10, вычислены в исправленных геомагнитных координатах.

Рис. 10.

Карта временнóго распределения радиальной плотности тока, полученной на фиксированной геомагнитной долготе Норильска в интервале геомагнитных широт от 50° до 75°. Штриховой горизонтальной линией отмечено положение Норильска на геомагнитной широте 59.9°. Вытекающие из ионосферы токи, показаны черным цветом (положительные значения) и сплошными изолиниями, а токи, втекающие в ионосферу, – белым цветом (отрицательные значения) и точечными изолиниями. Вертикальным линиям соответствуют моменты времени появления и исчезновения радарных отражений согласно рис. 6.

В спокойных геомагнитных условиях граница расположения продольных токов первой и второй зон находится вблизи геомагнитной широты 65°–75°. Из рис. 10 видно, что во время бури наблюдается как усиление токов, так и смещение в сторону экватора (на ~10° по широте) области протекания продольных токов. Во время рассматриваемого события происходит смещение границы токов второй зоны вплоть до широты Норильска. Временнóй интервал смещения области продольных токов хорошо согласуется со временем наблюдения радиоавроры на радаре (рис. 6) с 22:30 UT 27 мая до 14:00 UT 28 мая. Появление интенсивных радиоэхо в 22:35 UT 27 мая соответствует максимальным значениям плотности вытекающего и втекающего тока второй и первой зон соответственно (до 2 мкА/м² по модулю). Области интенсивных высыпаний высокоэнергичных электронов (сияний) пространственно совпадают с областями продольного тока, вытекающего из ионосферы [34]. Сравнение рис. 7 и 10 указывает на связь значительных изменений (ROT > ±5 TECU/мин) фазовых флуктуаций навигационных сигналов над Норильском и Дикси с усилением и смещением продольных токов второй зоны. Причем на Дикси флуктуации фазы начинают наблюдаться с 16–17 UT 27 мая. Из рис. 10 видно, что на геомагнитной широте Дикси (~65°) в указанное время 27 мая наблюдаются довольно значительные величины втекающих токов второй зоны (–0.5 мкА/м²). В период с 3:20 до 4:50 UT 28 мая по данным радара (рис. 6) и приемника ГНСС в Норильске (рис. 7) наблюдается снижение интенсивности как радиоавроры, так и вариаций ROT. Такое ослабление, по-видимому, связано с процессами смены знака продольных токов второй и первой зон и соответствующим ослаблением этих токов. Можно отметить, что после смены знака токов второй зоны изменилась средняя высота отражений радиоавроры: она уменьшилась приблизительно на 10 км. Наличие интенсивных фазовых флуктуаций с 05:00 до 11:00 UT 28 мая над Норильском связаны с расположением границы продольных токов второй зоны вблизи приемника GPS-сигналов. В рассматриваемый период на ионозонде в Норильске отсутствуют ионограммы из-за сильного поглощения излучаемого сигнала в среде. Сравнение с результатами наблюдения концентрации электронов по Swarm A показало, что спад концентрации между 73°–75° географической широты (63°–65° геомагнитной) в указанный момент времени (0:14–0:35 UT) может быть связан с пролетом спутником области продольных токов второй зоны.