Анализ эффектов авроральных суббурь по данным вертикального зондирования ионосферы в Арктике

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия

Анализ эффектов авроральных суббурь по данным вертикального зондирования ионосферы в Арктике

Л.В. Егорова

Резюме

Проблема диагностики и прогнозирования характеристик полярной ионосферы может исследоваться с помощью изучения влияния магнитосферных возмущений на высокоширотную ионосферу. Нашей задачей было исследовать зависимость вариаций электронной концентрации F области ионосферы на субавроральных станциях вертикального зондирования (ВЗ) Соданкюла, Ловозеро и Горьковская от вариаций геомагнитного поля. Использовались данные АЕ и РС геомагнитных индексов во время суббурь зимой 2011-2012 гг. Для анализа применялся метод наложения эпох. В результате нашего исследования показано, что возмущение в электромагнитном поле сопровождается последующим усилением вариаций критических частот foF2, а значит, и электронной концентрации в авроральной и субавроральной ионосфере. В результате исследования сделан вывод о том, что геомагнитные индексы АЕ и РС могут служить предикторами возмущений в ходе ионосферного параметра foF2 высокоширотной ионосферы в зимний сезон.

Ключевые слова: высокоширотная ионосфера, магнитосфера, магнитная активность, РС-индекс, АЕ-индекс, геомагнитная возмущенность, критические частоты.

Analysis of the effects of auroral substorms on the data of ionosphere vertical sounding in the Arctic

Larisa V. Egorova

State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

Summary

The problem of diagnosing and predicting the characteristics of the polar ionosphere can be investigated by studying the effect of magnetospheric disturbances on the high-latitude ionosphere. Our task is to investigate the dependence of the variations in the electron concentration F of the ionosphere region at the subauroral stations of vertical sounding (VS) Sodankyla, Lovozero and Gorkovskaya on variations in the geomagnetic field. The data of AE and PC of geomagnetic indices were used during substorms in the winter of2011-2012. For analysis, the epoch overlapping method was used. As a result, it was shown that the perturbation in the electromagnetic field is accompanied by a subsequent amplification of variations during the critical frequencies foF2, and hence the electron concentration, auroral and subauroral ionosphere.

We conclude that the geomagnetic indices AE and PC can serve as predictors of disturbances during the ionospheric parameter foF2 of the high-latitude ionosphere in the winter season.

An increase in the amplitude level of AE from 100 to 350 nT (and PC > 2) during the night hours of the winter season precedes an increase in the critical frequencies of the ionosphere F2 layer by an average of 30% of the median. An increase in the amplitude level of AE from 180 to 520 nT (and PC> 2) in the winter season in the afternoon precedes the positive or negative deviation of the critical frequencies of the ionosphere F2 layer from the median by a mean of 10%. The response of the high-latitude ionosphere of the F2 layer to variations in the AE and PC indices appears in the first hour after the maximum during geomagnetic indices, the delay of the maximum deviation from the median 1 hour at night and 3 hours in the afternoon at Lovozero station, at Sodankyla and Gorkovskaya is about 3 hours at night and weakly expressed during the day.

Keywords: high-latitude ionosphere, magnetosphere, magnetic activity, PC-index, AE-index, geomagnetic perturbation, critical frequencies.

Введение

полярный ионосфера джоулев нагрев

Ионосфера в основном образуется под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, но не только. На высокоширотную ионосферу влияют, в качестве дополнительного источника ионизации, энергичные частицы, высыпающиеся из магнитосферы [1]. Определенную роль в образовании ионосферы играет и электрическое поле магнитосферной конвекции [2]. Характерной особенностью субавроральной зоны является наличие главного ионосферного провала в условиях затененной ионосферы. Он расположен в интервале инвариантных (исправленных геомагнитных) широт 52-64°, наблюдается в ночные часы и является естественной границей между среднеширотной и авроральной ионосферой. Сложность диагностики и прогнозирования параметров полярной ионосферы состоит в том, что на фоне относительно спокойного регулярного хода ионосферных параметров временами наблюдаются аномалии или возмущения, которые существенно меняют распределение характеристик полярной ионосферы.

Во время геомагнитных возмущений усиливаются продольные токи, соединяющие магнитосферу с ионосферой, происходит выделение большого количества энергии -- «джоулев нагрев»: перегретый газ поднимается на высоты F области и вызывает возмущения в ходе критических частот ВЗ на высотах ионосферы на полярных станциях. Критические частоты foF2 линейно связаны с электронной концентрацией слоев ионосферы [3]. Глобальные индексы геомагнитной активности AE, AL, AU, AO являются количественной мерой вариаций геомагнитного поля в авроральной зоне [4]. Их расчет проводится путем усреднения магнитных данных нескольких станций, результаты расчета описывают среднестатистическую ситуацию возмущенности в проводимости электрических полей, в продольных и горизонтальных токах в целом в авроральной зоне ионосферы Земли [5]. Задачей данной работы является изучение зависимости вариаций foF2 на субавроральных ст. Соданкюла, Ловозеро и Горьковская от вариаций геомагнитного поля во время суббурь по данным АЕ- и РС-индексов зимой 2011/12 г.

Совместный анализ градиентов критических частот ионозондов и индексов, характеризующих состояние магнитного поля Земли, может способствовать реализации задач диагностики и прогнозирования характеристик полярной ионосферы [4].

Данные и методы

С декабря 2011 г. ежечасные данные вертикального зондирования ионосферы, полученные на современной цифровой аппаратуре CADI, поступают для обработки в Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) в реальном времени. Обработка ионограмм осуществляется в автоматизированном режиме в отделе геофизики ААНИИ с использованием данных кода ИОНКА. Данные геомагнитного индекса АЕ поступают из международных сайтов данных. Индекс РС вычисляется по данным, полученным в реальном времени со станций Туле (Норвегия) и Восток в Антарктиде. Для статистических расчетов были выбраны ежечасные данные критических частот F2 области зимнего сезона 2011/12 г. Эти годы близки к году максимума солнечной активности (СА), W = 128 в декабре, 113 в январе и 58 в феврале. Для анализа применялся метод наложения эпох [6], были выбраны события, когда наблюдался резкий рост индекса РС > 2. Им соответствуют случаи увеличения АЕ > 25 нТл. За ключевой час брался час, когда АЕ- и РС-индексы достигали максимального значения.

Результаты

Сопоставление вариаций критических частот foF2 с медианами при различных уровнях геомагнитной активности.

При сравнении вариаций ионосферных параметров трех станций вертикального зондирования (ВЗ) о. Хейса, Диксон, Соданкюла с вариациями магнитного индекса PC, характеризующего геоэффективную часть межпланетного магнитного поля (ММП), в работе [7] было выявлено, что PC-индекс может являться предиктором для диагностики уровня электронной концентрации полярной ионосферы [8, 9]. Рост уровня PC-индекса соответствует как положительным, так и отрицательным градиентам в ходе критических частот F области. В частности, при увеличении PC > 2 в зимний сезон в ночные часы наблюдается прирост уровня электронной концентрации на всех станциях. Задержка отклика ионосферы F области на вариации PC зависит от широты станции: на ст. о. Хейса -- не превышает одного часа, на ст. Диксон -- двух часов, на ст. Соданкюла -- 1 час.

Поскольку АЕ-индекс характеризует возмущенность в проводимости электрических полей, в продольных и горизонтальных токах, интересно выяснить, как колебания уровня амплитуды AE связаны с вариациями параметров высокоширотной ионосферы для дальнейшего его использования в диагностике и прогнозировании ионосферного отклика на возмущения геомагнитного поля.

За период январь - февраль 2012 г. были выбраны 29 случаев, когда среднесуточный АЕ не превышал значения 125 нТл, и 13 случаев, когда этот уровень был выше 225, но ниже 450 нТл, чем отсекаются из анализа магнитные бури, к которым относятся возмущения с АЕ больше 500 нТл. Усредненный суточный ход этих кривых представлен на рис. 1.

В выборку отбирались те сутки, когда значений АЕ > 225 нТл и АЕ < 125 нТл было больше половины времени и среднесуточное значение АЕ выходило за пределы граничных значений.

Реконструированные ст. Горьковская (Ф = 60,23°) и Ловозеро (Ф = 63,3°) находятся, как и Соданкюла (Ф = 64°), в субавроральной зоне. Интересно выяснить, может ли АЕ-индекс так же, как РС-индекс, являться предиктором для диагностики уровня электронной концентрации на этих станциях. Для анализа используем данные критических частот F2 области за декабрь 2011 - февраль 2012 гг., лет близких к году максимума солнечной активности (СА), W = 128 в декабре, 113 в январе и 58 в феврале.

Процессы в авроральной ионосфере во время возмущенности магнитосферы (суббури), когда индекс АЕ > 225 нТл, отличается от поведения ионосферы во время спокойных условий (когда индекс АЕ < 125 нТл), что демонстрируется кривыми на рис. 2-4, которые представляют суточный ход критических частот foF2 и их медиан, также усредненный ход foF2 для суток, когда АЕ < 125 и АЕ > 225, число таких событий (n) представлено на рис. 2.

Рис. 1. Усредненный суточный ход индекса АЕ.

1 -- для 29 случаев спокойного геомагнитного периода (АЕ < 125 нТл); 2 -- для 13 случаев возмущенного геомагнитного периода (450 > АЕ > 225 нТл) за январь - февраль 2012 г.

Fig. 1. Average daily rate of AE-index.

1 -- for 29 cases of quiet geomagnetic period (AE < 125 NT); 2 -- for 13 cases perturbed geomagnetic period (450 > AE > 225 NT) for January - February 2012 а

Как видим, в случаях АЕ < 125 нТл медиана практически совпадает с усредненным ходом критических частот foF2, то есть со спокойным уровнем суточного хода на всех трех станциях за редким исключением: в 20 UT в Ловозере и в 22 UT в Соданкюле. В случаях АЕ > 225 нТл на всех станциях суточный ход foF2 превышает уровень медианы в январе и феврале ночью, причем в отдельных случаях в два раза, в среднем же на 30 %. Днем в январе foF2 выше, а в феврале ниже медианы, в среднем на 10 % (рис. 3).

Графики суточного хода foF2 выполнены по данным ручной интерпретации ионограмм. Как видим, ход критических частот типичен для зимних месяцев. В исследуемый период было довольно много магнитовозмущенных дней, поэтому имеется большое количество случаев, когда на ионограммах отсутствуют отражения от слоя F2, что происходит из-за поглощения в области D (условие B) или экранирования спорадическим слоем Es (условие А). Объединять все зимние месяцы в один статистический ряд нельзя, ибо днем отклонения критических частот AfoF2 от медианы могут носить разный знак и при суммировании обнуляться, как происходит это в исследуемый период (рис. 4).

Рис. 2. Суточный ход критических частот foF2 и их медиан ст. Горьковская.

Верхний ряд: foF2 -- тонкие линии, медиана -- толстая линия; средний ряд: усредненные foF2 -- кривая 1, медиана -- кривая 2 для АЕ < 125; нижний ряд -- для АЕ > 225

Fig. 2. The daily course of critical frequencies foF2 and their medians at Gorkovskaya station.

Top: foF2 -- thin lines, median -- thick line; middle part: averaged foF2 -- curve 1, median -- curve 2 for AE < 125; the lower part -- for AE > 225

Таким образом, зимой ночью на субавроральных, так же как и на авроральных станциях [7], мы наблюдаем положительную фазу ионосферной бури, днем же -- положительную или отрицательную в зависимости, вероятно, от уровня СА. Впрочем, этот вопрос нуждается в более тщательной проработке на больших статистических рядах данных.

Рис. 3. Суточный ход критических частот foF2 и их медиан ст. Ловозеро.

Верхний ряд: foF2 -- тонкие линии, медиана -- толстая линия; средний ряд: усредненные foF2 -- кривая 1, медиана -- кривая 2 для АЕ < 125; нижний ряд -- для АЕ > 225

Fig. 3. The daily course of the critical frequencies foF2 and their medians at Lovozero station.

Top: foF2 -- thin lines, median -- thick line; middle part: averaged foF2 -- curve 1, median -- curve 2 for AE < 125; the lower part -- for AE > 225

Рис. 4. Суточный ход критических частот foF2 и их медиан ст. Соданкюла.

Верхний ряд: foF2 -- тонкие линии, медиана -- толстая линия; средний ряд: усредненные foF2 -- кривая 1, медиана -- кривая 2 для АЕ < 125; нижний ряд -- для АЕ > 225

Fig. 4. Daily variations of critical frequencies foF2 and median at Sodankyla.

Top: foF2 -- fine lines, median thick line; middle part: averaged foF2 -- 1 curve, the median curve 2 for AE < 125; the lower part is for AE > 225

Влияние вариаций АЕ- и РС-индексов на ход критических частот F области в ночной период зимы 2011-2012 гг.

Для анализа вариаций foF2 в зимний ночной период декабря 2011 - февраля 2012 гг., связанных с возмущениями в геомагнитном поле, были выбраны случаи резкого роста РС > 2. Им соответствуют случаи увеличения АЕ > 225 нТл. Анализ проводился методом наложенных эпох, за ключевой час брался час, когда РС- и АЕ- индексы достигали максимального значения. Надо сказать, что ход индексов АЕ и РС в каждом отдельном случае различается, однако в усредненном виде он схож, причем для данной выборки максимумы совпадают.

На рис. 5 приведен усредненный ход АЕ- и РС-индексов и соответствующие им кривые отклонений foF2 от медианы (AfoF2) для трех станций Соданкюла, Ловозеро и Горьковская. Видим, что РС-индекс растет в среднем от уровня 0, 5 до 3 ночью(n = 3 6) и от 0,75 до 3,3 днем (п = 34), АЕ-индекс -- от 100 до 350 нТл ночью (п = 33) и от 180 до 520 нТл днем (п = 32). К сожалению, во время геомагнитных возмущений F область ионосферы ст. Соданкюла и Ловозеро часто не наблюдается из-за поглощения в области D (условие B) или экранирования спорадическим слоем Е8 (условие А), поэтому для больших скачков в ходе РС и АЕ выделить значительное число случаев увеличения критической частоты затруднительно. Число случаев n, включенных в анализ, представлено на рис. 5.

Рис. 5. Усредненный временной ход геомагнитных и ионосферных параметров для 70 зимних событий.

а -- АЕ, б -- РС; в -- AfoF2 ст. Ловозеро, г -- Соданкюла, д -- Горьковская

Fig. 5. Averaged time series of geomagnetic and ionospheric parameters for 70 winter events.

a -- AE, б -- PC, в -- AfoF2 st. Lovozero, г -- Sodankyla, д -- Gorkovskaya

Отклонение критической частоты foF2 от медианы ночью растет одновременно с ростом АЕ и достигает максимума через час после максимума в ходе АЕ (РС) на ст. Ловозеро, через 3 часа на ст. Соданкюла и Горьковская. Днем AfoF2 падает на ст. Ловозеро одновременно с АЕ и достигает минимума через три часа после ключевого дня. На ст. Соданкюла AfoF2 также падает, однако в меньшей степени, чем в Ловозере. На ст. Горьковская этот тренд еще менее выражен.

Поскольку мы имеем только ежечасные данные критических частот, то отклик ионосферы на вариации электромагнитного поля (АЕ и РС) можно наблюдать через промежуток времени кратный 1 часу. Нужны данные с меньшим шагом отсчета, чтобы судить о задержке более точно.

Нельзя утверждать, что уровень электронной плотности на высотах F2 связан однозначно с вариациями АЕ и РС, но, как правило, возмущение в электрическом поле сопровождается последующим усилением вариаций в ходе критических частот авроральной и субавроральной ионосферы.

Результаты приведенного анализа подтверждают закономерности, выявленные в работах [8, 9]. Вариации отклика параметров субавроральной ионосферы ст. Ловозеро и Горьковская на геомагнитные возмущения аналогичны вариациям на станциях o. Хейса, Диксон, Соданкюла. Наличие таких закономерностей не противоречит выводам, сделанным в работе [10].

Выводы

Геомагнитные индексы АЕ и РС могут служить предикторами возмущений F2 области высокоширотной ионосферы в зимний сезон.

Рост уровня амплитуды АЕ от 100 до 350 нТл (и РС>2) в ночные часы зимнего сезона предшествует росту критических частот слоя F2 ионосферы, в среднем на 30 % от медианы.

Рост уровня амплитуды АЕ от 180 до 520 нТл (и РС> 2) в зимний сезон днем предшествует положительному или отрицательному отклонению критических частот слоя F2 ионосферы от медианы, в среднем на 10 %.

Реакция высокоширотной ионосферы слоя F2 на вариации АЕ- и РС-индексов проявляется в первый час после максимума в ходе геомагнитных индексов, задержка максимума отклонения от медианы составляет на ст. Ловозеро 1 час ночью и 3 часа днем, на ст. Соданкюла и Горьковская около 3 часов ночью и слабо выражена днем.

Список литературы

1. Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний и их связь с высокоширотными геомагнитными возмущениями // Геомагнетизм и аэрономия. 1961. Т 1. № 5. С. 695-701.

2. Davis K. Review of recent progress in ionospheric predictions // Radio Sci. 1981. V. 16. № 6. P 1407-1430.

3. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 527 с.

4. Ионосферно-магнитные возмущения в высоких широтах / Под редакцией О.А. Трошичева. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 255 с.

5. Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности: Справочное пособие. М.: Гидрометеоиздат, 1977. 59 с.

6. Шерстюков Б.Г. Короткопериодные циклические изменения в нижней атмосфере и гелиокосмические процессы. М.: Гидрометеоиздат, 1986. 186 с.

7. Janzhura A., Troshichev O., Stauning P. Unified PC indices: Relation to the isolated substorms // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A09207. doi:10.1029/2006JA012132.

8. Vovk VYa., Egorova L.V. Relationship between variations in the characteristics of the high-latitude ionosphere and magnetic PC indices // Geomagnetism and Aeronomy. 2012. V. 52. № 3. P. 344-349.

9. Егорова Л.В. Связь магнитосферных возмущений с ионосферными в авроральной и субавроральной зонах // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 6. С. 800-806.

10. Danilov A.D. F2-region response to geomagnetic disturbances // J. Atmos. Solar - Terr. Phys. 2001. V 63. № 2. P 441-449.

References

1. Horosheva O.V. Spatio-temporal distribution of auroras and their relationship with high-latitude geomagnetic disturbances. Geomagnetizm i aeronomiya. Geomagnetism and aeronomy. 1961, 1: 695-701. [In Russian].

2. Davis K. Review of recent progress in ionospheric predictions. Radio Sci. 1981, 16: 1407-1430.

3. Bryunelli B.Ye., Namgaladze A.A. Fizika ionosfery. Ionosphere physics. Moscow: Nauka, 1988: 527. [In Russian].

4. Ionosferno-magnitnye vosmushceniya v visokikh shirotakh. Ionospheric-magnetic disturbances at high latitudes. Troshichev O.A. (Eds). Leningrad: Gidrometeoisdat, 1986: 255. [In Russian].

5. Zabolotnaya N.A. Indeksy geomagnitnoy aktivnosti (spravochnoyeposobiye). Indices of geomagnetic activity (reference guide). Moscow: Gidrometeoizdat, 1977: 59 p. [In Russian].

6. Sherstyukov B.G. Korotkoperiodnyye tsiklicheskiye izmeneniya v nizhney atmosfere i geliokosmicheskiye protsessy. Short-period cyclic changes in the lower atmosphere and heliocosmic processes. Moscow: Gidrometeoizdat, 1986: 186 p. [In Russian].

7. Janzhura A., Troshichev O., Stauning P. Unified PC indices: Relation to the isolated substorms. J. Geophys. Res. 2007, 112: A09207. doi:10.1029/2006JA012132.

8. VovkVYa., Egorova L.V. Relationship between variations in the characteristics of the high - latitude ionosphere and magnetic PC indices. Geomagnetism and Aeronomiya. 2012, 52, 3: 344-349.

9. Egorova L.V. Relationships between magnetospheric and ionospheric disturbances in the auroral and subauroral zones. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, 52, 6: 800-806.

10. Danilov A.D. F2-region response to geomagnetic disturbances. J. Atmos. Solar - Terr. Phys. 2001, 63, 2: 441-449. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-1-66-81.

Размещено на Allbest.ru