УДК 550.388.2
ЧАСТНОЕ ЗАТМЕНИЕ СОЛНЦА 4 ЯНВАРЯ 2011 г. НАД ХАРЬКОВОМ: РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2014 г. И. Ф. Домнин, Л. Я. Емельянов, М. В. Ляшенко, Л. Ф. Черногор
Институт ионосферы НАН и МОН Украины, г. Харьков, Украина e-mail: mlyashenko@ya.ru Поступила в редакцию 15.12.2012 г. После доработки 30.05.2013 г.
Представлены результаты наблюдений эффектов частного солнечного затмения (СЗ) 4 января 2011 г. (фаза 0.78) в геокосмосе над Харьковом по данным радара некогерентного рассеяния. Эффекты СЗ наблюдались в вариациях концентрации электронов, температур электронов и ионов, вертикальной компоненты скорости движения плазмы в широком диапазоне высот (190—420 км). Проведены теоретические расчеты параметров тепловых и динамических процессов в ионосфере во время СЗ. Показано, что СЗ привело к существенным изменениям в динамическом и тепловом режимах геокосмоса. Представленные результаты хорошо согласуются с результатами анализа эффектов СЗ в геокосмической плазме, которые имели место над Харьковом в 1999—2008 гг.
DOI: 10.7868/S0016794014040129
1. ВВЕДЕНИЕ
Солнечное затмение (СЗ) представляет собой одно из уникальных событий в геокосмосе. Наблюдение, анализ, интерпретация и моделирование вариаций параметров геокосмической плазмы во время СЗ является одной из актуальных задач современной геофизики.
Ранее выполнены исследования эффектов ряда солнечных затмений над Харьковом в 1999— 2008 гг. с использованием данных радара некогерентного рассеяния (НР) [Taran et al., 2001; Акимов и др., 2002; 2005; Бурмака и др., 2007а; 20076; Григоренко и др., 2008; Дзюбанов и др., 2009; Емельянов и др., 2009; Domnin et al., 2012; Домнин и др., 2013]. В перечисленных работах представлены результаты наблюдения, анализа и моделирования вариаций параметров ионосферной плазмы и физических процессов в геокосмосе во время частных затмений Солнца над Харьковом. Следует отметить, что метод НР в настоящее время является одним из наиболее информативных и точных радиофизических методов исследования околоземного космического пространства. Наличие такого прецизионного инструмента, как радар НР, позволяющего получать широкий набор параметров плазмы, дает возможность исследовать динамику физических процессов и взаимодействие подсистем в системе Земля—атмосфера—ионосфера—магнитосфера (ЗАИМ) во время СЗ [Черногор, 2003, 2006, 2007, 2008]. Отметим, что энергетика процессов в околоземной среде, сопровождающих СЗ, достаточна для изменения динамического и теплового режимов в системе ЗАИМ. В частности, затмения приводят к суще-
ственной перестройке высотной структуры ионосферы и нарушению взаимодействия между ионосферой и плазмосферой. Эффекты в околоземном космосе качественно подобны тем, что имеют место во время восхода и захода Солнца, но существенно отличаются своими пространственно-временными масштабами. Следует также отметить, что каждое затмение обладает особенностями, которые определяются состоянием космической погоды, временем суток, а также фазой цикла солнечной активности. Поэтому исследование эффектов СЗ в атмосфере и геокосмосе остается актуальной задачей. Для изучения этих эффектов используется целый арсенал методов (см., например, Evans, 1965a, b; Baron, 1973; Salah et al., 1986; Колоколов и др., 1993; Afraimo-vich et al., 2002; Акимов и др., 2005; Афраймович и др., 2007; Каримов и др., 2008).
Целью данной работы является изложение результатов наблюдений эффектов СЗ в ионосфере, а также результатов моделирования параметров динамических и тепловых процессов в геокосмосе в течение частного СЗ 4 января 2011 г. над Харьковом.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАТМЕНИИ СОЛНЦА
Затмение Солнца 4 января 2011 г. наблюдалось на крайнем севере Северной Америки, на большей части Европы, на части Западной и Восточной Сибири и Центральной Азии.
Затмение Солнца 4 января 2011 г. вблизи г. Харькова имело место с 07:29 UT до 10:28 UT. Максимальное покрытие диаметра и площади дис-
ка Солнца имело место в 08:58 UT и составило ~0.78 и 0.71 соответственно. Освещенность поверхности Земли и околоземной среды во время СЗ уменьшилась почти в 4 раза. Общая продолжительность затмения составила 2 ч 59 мин. Следует отметить, что данное СЗ являлось наиболее продолжительным из всех затмений, наблюдавшихся над Харьковом в период с 1999 г. по 2008 г., продолжительность которых была близка к 2 ч.
В качестве контрольного дня выбраны сутки 5 января 2011 г.
3. ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА
Рассмотрим временные вариации параметров, описывающих состояние космической погоды во время СЗ 4 января 2011 г. и контрольных суток 5 января 2011 г. Для анализа гелиогеофизической обстановки использовались следующие данные: концентрация частиц солнечного ветра (СВ), температура СВ, радиальная скорость СВ (по данным спутника ACE Satellite — Solar Wind Electron Proton Alpha Monitor) и динамическое давление СВ (расчет); компоненты Bz, By межпланетного магнитного поля (по данным спутника ACE Satellite — Magnetometer); значения Кр-индекса (Air Force Weather Agency), Dsí-индекса (WDC-C2 for Geomagnetism Kyoto University).
Период с 4 по 5 января 2011 г. характеризовался спокойной гелиогеофизической обстановкой. Вариации параметров СВ близки к фоновым. Скорость СВ в рассматриваемый период не превышала 410 км/с, температура СВ изменялась в пределах (0.5—0.75) х 105 К. Концентрация заряженных частиц СВ не превышала 2.5 х 10-6 м-3. Как показал расчет, давление плазмы СВ изменялось в диапазоне 1-1.5 нПа. Индекс геомагнитной активности Kp не превышал 3-х единиц. Индекс Dsí варьировался в пределах от 0 до -15 нТл. Значения компонент межпланетного магнитного поля Bz, By изменялись в диапазоне от 4 до —4 нТл.
4. СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ
Для исследования эффектов в ионосфере, вызванных СЗ, использовался радар НР. Харьковский радар НР является единственным и наиболее информативным источником сведений о параметрах и процессах, характеризующих поведение геокосмической плазмы на средних широтах центрально-европейского региона.
Географические координаты радара: 49.6° N, 36.3° E; геомагнитные: Ф = 45.7°, Л = 117.8°; наклонение геомагнитного поля — 66.4°, параметр Мак-Илвейна L ~ 1.9. Радар имеет крупнейшую в мире зенитную двухзеркальную параболическую антенну диаметром 100 м и предназначен для исследования ионосферы в интервале высот 100-
1500 км. Рабочая частота радара — 158 МГц. Импульсная мощность радиопередающего устройства составляет 2—4 МВт. В рассматриваемый период измерений ионосферных параметров она составляла 2 МВт.
Радар НР позволяет измерять следующие параметры ионосферы: концентрацию электронов И, температуры электронов Те и ионов Т„ вертикальную составляющую скорости переноса плазмы Уг, относительный ионный состав. Погрешность измерения данных определяется отношением сигнал/шум и временем накопления. Погрешность измерения составляет 1—10%. Для температуры электронов и ионов, концентрации электронов в среднем диапазоне высот, где основными ионами являются ионы О+, погрешности не превышают 1—5%. На высотах ниже 200 км и выше 500 км эта погрешность может увеличиться до 10— 30%. Погрешность измерения величины вертикальной скорости переноса заряженных частиц зависит от времени суток, высоты и отношения сигнал/шум. Для радара НР в Харькове средняя абсолютная погрешность в диапазоне высот 200— 500 км обычно на превышает 10—25 м/с.
Технические характеристики и режимы работы радара НР более подробно описаны в работе [Таран, 2001].
Совместно с радаром НР используется ионо-зонд "Базис", который служит для общего контроля состояния ионосферы и измерения критической частоты слоя /2 ионосферы ./0/2 и последующей калибровки профиля N(7), полученного на радаре НР. Характеристики ионозонда следующие: диапазон частот 1—40 МГц, эффективная мощность 1—10 кВт, длительность импульса 50—100 мкс, диапазон исследуемых высот 100—400 км. Погрешность получения /0/2 составляет 0.05 МГц (или 0.5—1% для /0/2 = 10—5 МГц соответственно).
5. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Параметры максимума слоя ионосферы. На рисунке 1 представлены временные зависимости параметров максимума слоя /2 ионосферы в день затмения и контрольные сутки 5 января 2011 г. Как видно из рисунка, СЗ через ~15 мин после главной фазы привело к уменьшению концентрации электронов Ит на ~50%. Высота слоя /2 7т в максимальную фазу СЗ увеличилась на ~10 км.
Концентрация электронов. На рисунке 2 представлены временные зависимости концентрации электронов N в диапазоне высот 190—410 км в день СЗ и контрольные сутки. Эффекты СЗ в вариациях концентрации электронов проявились достаточно хорошо. Так, через 15—60 мин после момента максимального покрытия диска Солнца концентрация электронов уменьшилась на 47— 20% в диапазоне высот 190—410 км соответствен-
но. Наибольшее падение концентрации наблюдалось в диапазоне высот 210—240 км и составило около 50 и 45% соответственно.
Отметим, что в контрольный день 5 января 2011 г. на временном интервале, соответствующем СЗ, в вариациях N также имело место заметное уменьшение концентрации электронов. Максимальное уменьшение N приходилось на околополуденные часы местного времени. Такое немонотонное поведение концентрации электронов в дневные часы в зимний период наблюдалось по данным харьковского радара НР также в декабре 2010 г. Подобные немонотонные вариации N отмечены и по данным европейских станций вертикального зондирования.
Рассмотрим высотные профили концентрации электронов в день СЗ (рис. 3) для характерных временных интервалов — до СЗ (07:00 иТ), в момент максимального покрытия диска Солнца (09:15 иТ), после СЗ (11:00 иТ) и в ночные часы (21:00 иТ). Из рисунка 3 видно, что до и после СЗ профили N практически совпадают. Вблизи момента максимальной фазы затмения имело место смещение высотного профиля концентрации электронов. Таким образом, видно, что затмение оказывает существенное влияние на структуру ионосферы в широком диапазоне высот и приводит к перестройке среды, подобной той, что наблюдается в моменты захода и восхода Солнца.
Температуры электронов и ионов. На рисунке 4а и б представлены временные зависимости т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.