ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 242-253
УДК 550.388.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ РАДАРОМ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ 10 ЯНВАРЯ 1997 г.
© 2007 г. Д. В. Благовещенский1, В. А. Корниенко2
Государственный университет аэрокосмического приборостроения, С.-Петербург 2Арктический и антарктический научно-исследовательский институт Росгидромета, С.-Петербург
e-mail :dvb@aanet. ru Поступила в редакцию 22.09.2005 г. После доработки 06.02.2006 г.
Приведен анализ особенностей вариаций и структуры ионосферы над территорией северной Европы во время известной магнитосферной бури 10 января 1997 г. средствами наклонного обратного рассеяния (НОР). Аппаратура НОР, установленная вблизи С.-Петербурга, Горьковская (ААНИИ), представляет собой малый радар "БИЗОН", данные которого сопоставлялись с данными радара CUTLASS, с ОР^-наблюдениями TEC, а также с геофизическими данными высокоширотных обсерваторий Швеции, Финляндии и России. Подробно изучена локальная суббуря в интервале 14:5116:55 UT, получены 52 ионограммы НОР. Идентифицированы типы отражений от полярной стенки главного ионосферного провала и узкого провала ионизации.
PACS: 94.30.Lr; 94.20 Ji
1. ВВЕДЕНИЕ
Полярная ионосфера, включающая в себя ав-роральный овал и полярную шапку, отличается высокой динамичностью поведения, сложностью своей структуры и насыщенностью различными явлениями и процессами. Область, расположенная к югу от аврорального овала, охватываемая понятием субавроральная ионосфера, также достаточно специфична и имеет особенности, отличные от высокоширотной и среднеширотной ионосфер. Последнее время субавроральная ионосфера является объектом повышенного внимания исследователей в силу недостаточной ее изученности. Здесь широко используются геофизические и радиофизические методы наблюдений как традиционного типа - вертикальное и наклонное зондирование ионосферы, так и новые, например, с помощью спутников, различных радаров и другие. Современная тенденция - комплексность наблюдений и сопоставление данных. Особое значение комплексность наблюдений имеет за периоды магнитных возмущений.
В настоящей работе ставится задача исследовать с помощью аппаратуры наклонного обратного рассеяния (НОР) особенности поведения субавроральной ионосферы и ее параметры во время знаменитой магнитосферной бури 6-11 января 1997 г., которая широко изучается в рамках программ CEDAR, ISTP и др. [Aarons and Lin, 1999; Buonsanto, 1999; Fox et al., 1998; Jakowski, 1999]. Известно, что за периоды бурь или суббурь структура субавроральной ионосферы достаточно переменчива, поэтому здесь главная задача состоит
в том, чтобы правильно идентифицировать ионограммы НОР, т.е. выполнить обоснованное сопоставление (привязку) следов на ионограммах НОР тем или иным физическим процессам или явлениям. К последним относятся: главный ионосферный провал (ГИП); граница диффузных высыпаний (ГДВ), формирующая полярную стенку провала (ПСП); возникающие во время суббурь или бурь узкий провал ионизации (УПИ) и кольцевой ионосферный провал (КИП); граница диффузного свечения (ГДС), расположенная к югу от экваториальной границы овала полярных сияний; конвективный вынос плазмы с повышенной концентрацией из дневного каспа и другие.
Поставленная в настоящей работе задача в отличие от аналогичных исследований, проведенных ранее [Гальперин и др., 1990; Bates, 1966; Ruo-honiemi and Greenwald, 1998; Aarons and Lin, 1999; Fox et al., 1998; Jakowski et al., 1999] отличается тем, что здесь на основе современных представлений о субавроральной ионосфере и комплексного сопоставления данных подробно изучается динамика основных структур субавроральной ионосферы во время магнитной бури 10.01.1997 г. В северной части европейского региона подобные многоплановые исследования с использованием метода НОР на территории России ранее не выполнялись.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Аппаратура наклонного обратного рассеяния "БИЗОН", с помощью которой проводился экс-
ф, N град.
Рис. 1. Схематическое изображение крупномасштабных ионосферных структур, "освещаемых" аппаратурой НОР ("БИЗОН"), на 15: иТ 10 января 1997 г. Обозначения на рисунке: ГДС - граница диффузных сияний; ГДВ - граница диффузных высыпаний; ПСП - полярная стенка провала; УПИ - узкий провал ионизации.
перимент 10.01.1997 г., представляет собой двух-канальную версию цифрового ионозонда для вертикального и наклонного зондирований ионосферы [МкокЫп й а1., 1994]. Этот инструмент работает подобно радару и дает возможность определять одновременно следующие характеристики: частоту отраженного от ионосферы сигнала, высоту (дистанцию) отражающего слоя ионосферы, амплитуду и фазу отраженного сигнала, доплеровский сдвиг и спектр, поляризацию волн. Частотный диапазон составляет 1-30 МГц, излуча-
емая мощность Р = 10 кВт. Ионозонд "БИЗОН" установлен на обс. Горьковская, ААНИИ, вблизи С.-Петербурга. Приемная и передающая антенны (двойные ромбы с ДН ~ 30°) ориентированы на север. Здесь рассмотрены данные наблюдений на ионозонде "БИЗОН" во время известного магнитного возмущения 10 января 1997 г.
Для описания этого возмущения использовался широкий спектр геофизических данных ряда обсерваторий Швеции, Финляндии и России (рис. 1), находящихся в предполагаемом районе обратно-
ч Н к
5 4 3 2
1.0E7
Заход 0 Заход 100
I I
я
1-ч
М
о
н
о
к
о
1.0E-1-
- 5-
к
W
н
О
5
1 4- !. 3+
Нет данных
!az
4 6 8 10 12 14 16 18 20 ЦТ, ч 6 8 10 12 14 16 18 20 22 ЦТ, ч
Рис. 2. Геофизические данные за 10 января 1997 г.: а - геомагнитные данные по обс. Соданкюла, где X -северная компонента геомагнитного поля; б - ионосферные данные вертикального зондирования ионосферы по обс. Соданкюла, где foEs - критическая частота по слою Es на высоте h = 100 км; в - электронный поток по данным ИСЗ DMSP; „ - планетарный индекс возмущенности Кр; д - аскаплоты полярных сияний (пс) по обс. Лопарская, где AZ означает, что слабая аврора присутствует в зените. Обозначения на рисунке: стрелки 0 и 100 - время захода Солнца на поверхности Земли и на высоте h = 100 км; LT - местное время по обс. Соданкюла; вертикальные штриховые линии - интервал работы радара "БИЗОН".
го рассеяния сигналов на радаре "БИЗОН": Тромсе, Кируна, Люкселе и Уппсала (ионосферные данные), Горьковская (ионосферные и магнитные данные), Лопарская (камер всего неба, K-индексы и магнитные данные: H, D и Z), Апатиты (нейтронный монитор), Соданкюля (К, Q и Ak -индексы, геомагнитные пульсации Pc5, ионосферные параметры, риометрические данные, геомагнитные данные: X, Y и Z), Оулуярви (нейтронный монитор, геомагнитные данные:X, Yи 7). Нурмиярви (геомагнитные данные: X, Yи 7). День 10 января 1997 г. характеризовался резким вы-
бросом в уровнях космических лучей по данным нейтронных мониторов в Оулу и Апатитах. Геомагнитные пульсации типа Pc5 наблюдались в Соданкюле с 02:15 до 24:00 UT, имели период 150-540 с и максимальную амплитуду 70 нТл. Ak-индексы достигли значений 37 и 36 соответственно в Оулуярви и Соданкюле.
На рис. 2 представлены геомагнитные данные (панель а) по обс. Соданкюля за 10 января и вариации Кр-индексов (панель г). Наши наблюдения методом НОР лежат в интервале (15-17) UT, т.е. согласно рис. 2, они приходятся все еще на максимум возмущения, но ближе к началу фазы восстановления. По данным работы [Дёминов и др., 1995], во время магнитной бури главный ионосферный провал (ГИП), от полярной стенки которого в нашем случае наиболее вероятны НОР, движется к югу относительно роста Кр со средней задержкой на 2.2 ч и достигает минимальных широт к концу главной фазы магнитной бури.
Для надежной интерпретации экспериментальных ионограмм на радаре "БИЗОН" были проведены расчеты положения крупномасштабных структур ионосферы, от которых наиболее вероятно обратное рассеяние сигналов. На рис. 1 для 15:00 UT представлены положения аврораль-ного овала [Holworth and Meng, 1975], границы диффузного свечения (ГДС), границы диффузных высыпаний (ГДВ), совпадающей с полярной стенкой провала (ПСП) [Halcrow and Nisbet, 1977], и узкого провала ионизации (УПИ). Дополнительно использовались две формулы для расчетов инвариантной широты границы диффузного высыпания, совпадающей с ПСП [Гальперин и др., 1990] и инвариантной широты минимума ГИП [Rodger et al., 1992]. Расчеты показывают, что для условий эксперимента 10.01.1997 г. значение фыда = 65.1° и фъГИП = 55.5°, где 9L - инвариантная широта.
На рис. 2 также представлены ионосферные данные (панель б) по обс. Соданкюля за 10 января 1997 г. вариации высыпаний частиц по данным спутника DMSP [SPIDR] в районе Соданкюлы (в), а также аскаплоты, характеризующие полярные сияния, по обс. Лопарская (д). Из рисунка следует, что ионосферная информация очень слаба - вертикальные отражения от слоя F в районе Соданкюлы вообще отсутствуют (тогда как на Горь-ковской они отсутствуют с 16:00 до 22:00 UT включительно). С другой стороны, данные радара "БИЗОН" весьма информативны в режиме НОР при исследовании той F-области ионосферы над Соданкюлой, где вертикальный ионозонд F-отражений не дает. В этом смысле метод НОР имеет определенные преимущества перед ВЗ.
В настоящем эксперименте представлялось также интересным сравнить данные НОР, полученные на радаре "БИЗОН", с данными другого
4
д
а 144S (010) lu 1700 (010)
Географическая широта, град 80 Beam 14
75
70
65
60 80
75
70
65
60 80
75
70
65
60
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00 UT
Рис. 3. Данные ионосферного обратного рассеяния радара CUTLASS во время магнитной бури 10 января 1997 г.: а -энергия; б - скорость; в - ширина спектра (http://julius.ngdc.noaa.gov.8080/).
радара CUTLASS. Исследовательский инструмент CUTLASS представляет собой КВ-двойной радар с двумя приемо-передающими центрами, который предназначен для изучения высокоширотной ионосферы [Lester et al., 1997]. Два радара установлены отдельно в Исландии и Финляндии. Антенная система каждого из них состоит из 16 передающих антенн, формирующих главный лепесток диаграммы направленности. Эти диаграммы направлены на север Скандинавии и в основном охватывают всю область облучения радара "Б
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.