ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 761-779
УДК 550.388, 520.16 + 523.31 + 523.9: 520.86
ИОНОСФЕРНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В ТЕЧЕНИЕ СИЛЬНЕЙШЕЙ МАГНИТНОЙ БУРИ 7-10 НОЯБРЯ 2004 г.
© 2007 г. Е. И. Григоренко1, В. Н. Лысенко1, С. А. Пазшра1, В. И. Таран1, Л. Ф. Черногор2
Институт ионосферы НАН и МОН Украины, Харьков, Украина e-mail: iion@kpi.kharkov.ua 2Харьковский национальный университет им. В Н. Каразина, Харьков, Украина e-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Поступила в редакцию 30.06.2006 г. После доработки 31.10.2006 г.
Приведены результаты исследования поведения области F2 и внешней ионосферы во время магнитной бури 7-10 ноября 2004 г., которая явилась результатом наложения двух последовательных сильнейших магнитных возмущений (Kp = 8.7). Наблюдения проведены с помощью радара некогерентного рассеяния в Харькове. Зарегистрированы значительные эффекты отрицательного ионосферного возмущения, в том числе уменьшение электронной концентрации в максимуме слоя F2 в 6-7 раз и полного электронного содержания до высоты 1000 км в 2 раза, подъем слоя F2 ионосферы на 300 км ночью и на 150-180 км днем, необычный ночной нагрев плазмы с увеличением температуры ионов и электронов до 2000 и 3000 К соответственно, уменьшение относительной концентрации ионов водорода МН+)/Же до 3.5 раз за счет опустошения магнитной силовой трубки, проходящей над Харьковом. Во время главной фазы бури обнаружены эффекты, обычно присущие высокоширотной ионосфере, включая радиоаврору. Полученные результаты свидетельствовали о смещении крупномасштабных структур высокоширотной ионосферы (аврорального овала, главного ионосферного провала, горячей зоны и др.) на широты, близкие к широте радара в Харькове.
PACS: 94.20. Vv; 94.30.Lr
1. ВВЕДЕНИЕ
Расположение харьковского радара некогерентного рассеяния (параметр Мак-Илвейна Ь ~ 1.9) дает возможность исследовать эффекты, связанные с процессами ионосферно-магнитосферного взаимодействия глубоко во внутренней плазмосфере. Роль этих эффектов существенно возрастает во время сильных геомагнитных возмущений, которые охватывают не только высокие широты, но проникают также в средние широты. Многообразие и сложность процессов, развивающихся в периоды геомагнитных возмущений, делают каждую бурю уникальной, что затрудняет прогнозирование возмущенной ионосферы. Анализ каждой новой бури дает дополнительную информацию для дальнейшего исследования и моделирования физических процессов в системе Солнце - Земля, а также для прогнозирования реакции ионосферы конкретного региона на возмущения на Солнце. Единственный в среднеширотной Европе харьковский радар некогерентного рассеяния (НР) метрового диапазона на протяжении почти 3-х циклов солнечной активности (СА) проводит изучение ионосферы в зависимости от состояния космической погоды [Таран, 2001; Mishin et а1., 2000; 2001; ^ег^ог et а1., 2002а, Ь; Григоренко и др., 2003а, б; 2005а, б].
Целью работы является исследование особенностей поведения области К и внешней ионосферы во время сильнейшей магнитной бури 7-10 ноября 2004 г. (максимальное значение индекса Кр = 8.7). Приведены результаты наблюдений временных вариаций основных параметров ионосферы: электронной концентрации, высоты максимума слоя К, температур электронов и ионов, полного электронного содержания в ионосферном столбе единичного сечения, относительной концентрации ионов водорода во внешней ионосфере. Получены данные, которые, скорее всего, свидетельствовали о смещении во время главной фазы бури главного ионосферного провала, провала легких ионов, горячей зоны на широту радара в Харькове. Отдельно рассмотрены особенности высотного распределения заряженных частиц в области ионосферы. Сопоставление их с ионограммами вертикального зондирования показало, что во время сильнейшей магнитной бури экваториальная граница аврорального овала могла приблизиться к широте харьковского радара. Зарегистрированы редкие для средних широт когерентные отражения (радиоаврора) от неоднородностей электронной концентрации, связанных с двухпото-ковой неустойчивостью плазмы в Е-слое ионосферы, которые наблюдались даже в дневных условиях в максимуме главной фазы бури.
Данные о солнечной активности в период с 1 по 13 ноября 2004 г.
Дата, ноябрь F10.7 Число солнечных пятен Площадь солнечных пятен (10-6) Рентгеновское излучение (фон) Число рентгеновских вспышек Число оптических вспышек
C M X S 1 2 3 4
1 136 144 1160 B3.3 2 1 0 1 1 0 0 0
2 133 110 1070 B5.1 7 0 0 2 0 0 0 0
3 136 123 1240 B5.4 11 4 0 6 3 0 0 0
4 136 135 1300 B4.5 6 2 0 2 1 0 0 0
5 141 83 1400 B4.9 10 2 0 6 1 0 0 0
6 129 106 1370 B4.3 6 4 0 2 3 1 0 0
7 130 94 980 B4.9 12 0 1 6 0 0 0 0
8 124 93 870 B4.9 5 1 0 10 2 0 0 0
9 127 90 980 B7.0 6 1 0 4 0 1 0 0
10 105 50 500 B5.2 8 0 1 1 0 0 2 0
11 95 70 550 B2.1 1 0 0 1 0 0 0 0
12 97 52 230 B1.3 0 0 0 0 0 0 0 0
13 96 50 220 B1.0 0 0 0 0 0 0 0 0
Наблюдения бури проводились 8-13 ноября 2003 г. в соответствии с международной программой LTCS-C/NOFS (Lower Thermosphere Coupling Study-Communications/Navigation Outage Forecasting System).
2. СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЙ
Радар некогерентного рассеяния. Исследования ионосферы в Харькове проводятся с помощью радара некогерентного рассеяния (НР), расположенного в обс. Института ионосферы (географические координаты: 49.6°N, 36.3°E, геомагнитные координаты: 45.7°, 117.8°). Описание радара и режимов его работы дано в работах [Таран, 2001; Григоренко и др., 2003 а] и ссылках в них. 8-13 ноября 2004 г. радар работал в режиме излучения двухчастотного составного сигнала с двумя импульсами длительностью 660 и 130 мкс на частотах f и f ± 100 кГц, где f ~ 158 МГц. Такой режим обеспечивает высотное разрешение примерно 100 и 20 км в диапазонах высот 200-1000 и 100-400 км соответственно. Максимальная мощность двухка-нального передатчика радара достигает 3.6 МВт (средняя мощность - 100 кВт), поляризация - круговая. Коэффициент усиления крупнейшей в мире зенитной двухзеркальной 100-метровой параболической антенны - около 12700 (эффективная площадь близка к 3700 м2, ширина луча - 1°). Температура системы составляет 570-1320 К, шумовая температура входных цепей радиоприемного устройства достигает 120-240 К.
Ионозонд "Базис". Ионосферная станция служит для получения ионограмм вертикального зондирования (ВЗ) и измерения критической частоты foF2 слоя F2 ионосферы с целью калибров-
ки профиля электронной концентрации, получаемого методом НР.
3. СОСТОЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ погоды.
ГЕОМАГНИТНАЯ БУРЯ
Буря представляла собой последовательное наложение двух сильнейших магнитных возмущений 7-8 и 9-10 ноября. Они были вызваны высокой активностью Солнца, связанной с быстрым развитием на его диске активной области (АО) 696. Бурная эволюция АО 696 произвела за время ее прохождения по диску Солнца 13 рентгеновских вспышек балла М и 2 вспышки балла X (таблица). Геоэффективность вспышек в рассматриваемом интервале наблюдений была высокой.
Среди них 3 ноября имели место 4 интенсивные вспышки балла М2.8, М1.6, М5.0, М1.0, 4 ноября - 2 вспышки М2.5 и М5.4, 5 ноября -2 вспышки М4.0 и М1.2, 6 ноября - 4 вспышки М9.3, М5.9, М3.6, М1.4, 8 ноября - вспышка М2.3, 9 ноября - М8.9, а также очень интенсивные вспышки 7 ноября балла Х2.0 и 10 ноября балла Х2.5, последняя явилась самым значительным событием за время существования АО 696 на Солнце. Вспышки сопровождались выбросами корональ-ной массы (СМЕ) типа полного или частичного гало различной сложности и конфигурации, магнитных облаков, интенсивными всплесками радиоизлучения, высокоскоростными потоками плазмы, вытекающими из корональных дыр, изменениями динамического давления солнечного ветра (СВ), деформацией переносимого им межпланетного магнитного поля (ММП). 9 ноября вспышка М8.9 сопровождалась СМЕ типа "полного гало" со скоростью 1800 км/с в плоскости неба. Скорость
^—
£ С 200 * 100 ** 0
л
и г
lli.l.l
100
н
W
£ -300
ч 2000 ^ 1500
bq 1000
500
07
08
09
10 11
дни
12
13
14
Рис. 1. Временные вариации параметров солнечного ветра: радиальной скорости Vsw, температуры T и концентрации nsw (ACE Satellite - Solar Wind Electron Proton Alpha Monitor), рассчитанных значений динамического давленияpsw, модуля Bt (точки) и ^-компоненты (линия) ММП (ACE Satellite - Magnetometer), рассчитанных значений энергии в, передаваемой солнечным ветром магнитосфере Земли в единицу времени, плотности потоков протонов Пр с энергиями боле 10, 50 и 100 МэВ (ИСЗ "GOES-8") (W75)) и электронов Пе с энергией более 2 МэВ (ИСЗ "GOES-12"), ^-компоненты геомагнитного поля (ИСЗ "GOES-12"), Kp-индекса (http: //spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/index.jsp), Dst-индекса (WDC-C2 for Geomagnetism, Kyoto University) и ^Е-индекса (WDC Kyoto) в течение 7-13 ноября 2004 г. Стрелками на горизонтальной оси отмечены моменты начала суббурь (SC).
движения солнечной плазмы во время самой интенсивной вспышки Х2.5 10 ноября с выбросом СМЕ типа "асимметричного полного гало" достигла 2000 км/с. К 11 ноября активность области 696 значительно уменьшилась, а 12 ноября она переместилась на обратную сторону солнечного диска. Подробное описание солнечной вспышеч-
ной и эруптивной активности в ноябре 2004 г., вызвавшей возмущения в межпланетной среде и в магнитосфере, дано в работе [Ермолаев и др., 2005].
Параметры, определяющие состояние космической погоды 7-13 ноября 2004 г., приведены на рис. 1. На спутнике "ACE" 7 ноября в 02:00 UT за-
регистрирован приход первой из шести межпланетных ударных волн, образованных облаками СМЕ, возникшими во время вспышек 3, 4 и 5 ноября (далее время всюду в UT). Прохождения следующих двух волн наблюдались в 10:00 и 17:55 (см. рис. 1). Они привели к сильнейшей первой магнитной буре 7-8 ноября с минимальным значением индекса Dst = -373 нТл, зарегистрированным 8 ноября в 07:00. С приходом ударных волн связано внезапное начало (SC) трех отдельных бурь (суббурь). SC были зарегистрированы 7 ноября как всплески геомагнитного поля в Боулдере со значениями индукции 7 нТл в 02:58, 35 нТл в 11:13 и около 41 нТл в 18:31 [http: //solar.sec.noaa.gov/weekly], а также как по
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.