Сходство параметров мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной и среднеширотной ионосферы

Сходство параметров мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной и среднеширотной ионосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сходство параметров мелкомасштабных неоднородностей в F-области высокоширотной и среднеширотной ионосферы

Введение

Известно, что естественные мелкомасштабные неоднородности электронной плотности (от нескольких сотен метров до первых километров) в F-области ионосферы вытянуты вдоль геомагнитного поля. В работе [1] они классифицированы по соотношению осей: стержни (rods, соотношение осей а:1:1), крылья (wings, a:b:1, a>b) и листы (sheets, а:а:1). Соответственно, соотношения осей: 5:1:1, 10:5:1 и 10:10:1. Предполагается, что наблюдение стержней более вероятно в высоких широтах, а наблюдение крыльев и листов - в средних широтах. С использованием метода спутникового радиозондирования и математической обработки радиосигнала [2], разработанного в Полярном геофизическом институте (ПГИ), в работе [3] определены параметры анизотропии неоднородностей в высокоширотной F-области. Вытянутость неоднородностей вдоль геомагнитного поля (ось б) меняется от 10 до 100-150. Вытянутость перпендикулярно геомагнитному полю (ось в) меняется от 3 до 30-40, т.е. неоднородности поперечно-анизотропны. Буквенные обозначения б и в имеют тот же физический смысл, что и буквенные обозначения a и b в работе [1]. Ориентация поперечной анизотропии Ш_А меняется от 1є до 178є и соответствует направлению дрейфа плазмы EЧB в F-области [4-6]. Исследование методом Терещенко и др. [2] среднеширотных неоднородностей показало, что они также вытянуты преимущественно вдоль геомагнитного поля, в некотором направлении перпендикулярно ему, и параметры б и в численно схожи с параметрами высокоширотных неоднородностей [7]. Исследование среднеширотных неоднородностей также выявило различную ориентацию их поперечной анизотропии Ш_A при различных геофизических условиях, что не могло быть вызвано электромагнитным дрейфом вследствие малости величины электрического поля (1-5 мВ/м) в средних широтах в спокойных условиях. Механизмом, управляющим ориентацией поперечной анизотропии Ш_A в средних широтах, аналогично дрейфу плазмы EЧB в высоких широтах, мог быть горизонтальный нейтральный ветер, величина которого в ночное время может достигать 200 м/с [8]. Для проверки этого предположения далее будут сопоставлены полученные в работе [7] экспериментальные данные об ориентации поперечной анизотропии Ш_A с теоретическими расчетами направления горизонтального ветра модели HWM07 [9, 10]. Экспериментальные данные были получены тремя наземными станциями, расположенными в г. Острогожск (50.87єN, 39.06єE), г. Ростов-на-Дону (47.21єN, 39.70єE) и г. Сочи (43.58єN, 39.77єE), входящими в состав радиотомографической установки ПГИ КНЦ РАН.

Результаты

На примерах сопоставления данных спутникового радиозондирования среднеширотной F-области ионосферы с теоретическими расчетами горизонтального ветра (модель HWM07) покажем, что при различных геофизических условиях мелкомасштабные неоднородности вытягиваются вдоль направления ветра. При этом в графике экспериментальной кривой дисперсии амплитуды наблюдаются один или несколько максимумов как показатель стационарной или нестационарной картины векторов ветра. Аналогичная ситуация наблюдалась в высокоширотной ионосфере при сопоставлении данных спутникового радиозондирования с данными радаров SuperDARN (рис.1).

В работе [6] было показано, что как при стационарной (рис.1 а, б), так и при нестационарной (рис.1 в, г) картине ионосферной конвекции в F-области мелкомасштабные неоднородности вытягивались вдоль направления дрейфа плазмы. Метод определения параметров б, в и Ш_A подробно изложен в работе [2]. Здесь кратко остановимся на основных моментах. Во-первых, ширина аппроксимирующего теоретического максимума (рис.1а, в) зависит от величин б и в. В высоких широтах ни один экспериментальный максимум невозможно было аппроксимировать при в=1, т.е. моделью изотропных неоднородностей. В примере на рис.1а,в в=5 и в=7. Таким образом, высокоширотные неоднородности вытянуты в некотором направлении поперек геомагнитного поля. Во-вторых, по пространственному положению аппроксимирующего теоретического максимума можно определить направление этой поперечной вытянутости, называемой «ориентация поперечной анизотропии» и обозначаемой Ш_A. Ориентация поперечной анизотропии _А измеряется в градусах и отсчитывается от направления на географический север по часовой стрелке. Так как значение дисперсии амплитуды не изменяется при изменении угла на 180, то при необходимости к значению _А можно прибавить 180. В примере на рис.1а,в Ш_A=175є, Ш_A=60є и Ш_A=12є. Эти величины были сопоставлены с направлением дрейфа ионосферной плазмы по данным SuperDARN (рис.1б,г) и было получено хорошее согласие между ними. В первом случае (рис.1а,б) единичный максимум свидетельствовал о постоянстве параметров неоднородностей, обусловленных постоянством направления векторов дрейфа плазмы. Во втором случае (рис.1в,г) два максимума свидетельствовали о непостоянстве параметров неоднородностей, вызванных изменением направления дрейфа.

Анализ данных радиозондирования среднеширотной ионосферы показал, что в экспериментальных графиках дисперсии логарифма относительной амплитуды наблюдаются максимумы по высоте и форме аналогичные высокоширотным (рис.2).

Аппроксимация экспериментальных максимумов показала, что среднеширотные неоднородности анизотропны, как и высокоширотные, поскольку ни один максимум не удалось аппроксимировать при в=1, т.е. моделью изотропных неоднородностей. В примере на рис.2а,в в=8 и в=18. Таким образом, среднеширотные неоднородности вытянуты в некотором направлении поперек геомагнитного поля. Сопоставление с моделью HWM07 показало хорошее согласие между ориентацией поперечной анизотропии Ш_A и направлением горизонтального нейтрального ветра Ш_W. Среди экспериментальных данных были случаи присутствия одного (рис.2а) или нескольких (рис.2в) максимумов в графике дисперсии. Выше было замечено, что наличие нескольких максимумов является признаком изменения направления дрейфа плазмы. Очевидно, для среднеширотной ионосферы подобное явление служит признаком изменения направления ветра.

На рис. 3 приведены результаты численного сопоставления экспериментальных и теоретических данных, полученные в независимых экспериментах по радиопросвечиванию среднеширотной (а) и высокоширотной (б) ионосферы.

Вычисленные значения различий сгруппированы по интервалам с шагом 20є. По оси ординат показано количество регистраций, значения которых попали в данный интервал. Положительные значения гистограмм показывают, что величина Ш_A была больше величины Ш_W и Ш_SD соответственно. Отрицательные значения показывают обратное. Очевидно, что в обеих гистограммах наибольшее число измерений отвечает случаю, когда величина имеет значения, не превышающие ±20є. Из этого можно заключить, что в средних широтах поперечная анизотропия мелкомасштабных неоднородностей возникает под воздействием горизонтального нейтрального ветра, подобно тому, что в высоких широтах она возникает в результате ионосферной конвекции.

Заключение

Методом радиозондирования исследованы естественные мелкомасштабные неоднородности (с размерами от сотен метров до первых километров) электронной плотности в F-области среднеширотной ионосферы. Показано, что, как и в высоких широтах, среднеширотные неоднородности поперечно-анизотропны. Определены параметры анизотропии: б, в и Ш_A. Численно они варьируют в следующих интервалах: б = 15 ч 165; в = 2 ч 40; Ш_A = 1є ч 178є. Величины осей неоднородностей определяются выражением 1<в<б и соотношение в:б варьирует от 1:2 до 1:20, в большинстве случаев составляя 1:7, что наблюдалось в высоких широтах.

По результатам численного сопоставления между ориентацией поперечной анизотропии Ш_A и направлением горизонтального ветра (модель HWM07) установлено, что в средних широтах мелкомасштабные неоднородности вытянуты вдоль направления горизонтального ветра подобно тому, как в высоких широтах они вытягиваются вдоль направления дрейфа плазмы.

Автор благодарит сотрудников лаборатории радиопросвечивания Полярного геофизического института за проведение экспериментальных работ. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 16-05-01024 А и № 15-05-02437 А.

Литература

мелкомасштабный неоднородность радиозондирование ионосфера

1. Livingston R.C., Rino C.L., Owen J., Tsunoda R.T. The anisotropy of high-latitude nighttime F region irregularities // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. №A12. P. 10519 - 10526.

2. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Kozlova M.O., Nygren T. Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver // Ann. Geophysicae. 1999. V. 17. P. 508 - 518.

3. Козлова М.О. Исследование неоднородностей километрового масштаба в F-области высокоширотной ионосферы по данным о мерцаниях спутниковых радиосигналов: Дис. канд. физ.-мат. наук: 25.00.29. -- М., 2002. -- 120 с.

4. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Kozlova M.O., Evstafiev O.V., Nygren T., Rietveld M. T., Brekke A. Comparison of the orientation of small scale electron density irregularities and F region plasma flow direction // Ann. Geophysicae. 2000. V. 18. P. 918 - 926.

5. Tereshchenko E.D., Romanova N.Yu., Koustov A.V. Orientation of the cross-field anisotropy of small-scale ionospheric irregularities and direction of plasma convection // Ann. Geophysicae. 2005. V. 23. P. 1227 - 1237.

6. Tereshchenko E.D., Romanova N.Yu., Koustov A.V. VHF scintillations, orientation of the anisotropy of F-region irregularities and direction of plasma convection in the polar cap // Ann. Geophysicae. 2008. V.26. P. 1725-1730.

7. Романова Н.Ю. Определение параметров анизотропии мелкомасштабных неоднородностей в F-области среднеширотной ионосферы // Proc. XXXVIII Apatity Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. 2015. P. 157-160.

8. Ишанов С.А., Клевцур С.В., Латышев К.С. Эффекты многомерности в теоретических моделях среднеширотной области F ионосферы // Вестник Балтийского федерального университета им. И.Канта. 2011. №10. С. 33-39.

9. Drob D.P. et al. An Empirical Model of the Earth's Horizontal Wind Fields: HWM07 // J. Geophys Res. 2008. V.113. doi:10.1029/2008JA013668.

10. Emmert J.T. et al. DWM07 global empirical model of upper thermospheric storm-induced disturbance winds // J. Geophys Res. 2008. V.113. doi:10.1029/2008JA013541.

Размещено на Allbest.ru