ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 19-27
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 550.388.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НИЖНЕЙ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ С ТРОПИЧЕСКИМИ ЦИКЛОНАМИ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО И РАКЕТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2007 г. Л. Б. Ванина-Дарт*, И. В. Покровская, Е. А. Шарков
Институт космических исследований РАН, Москва * E-mail: vandart@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 28.04.2006 г.
Представлены результаты комплексной обработки данных ракетного зондирования экваториальной ионосферной области D со специального ракетного полигона "Тумба" (Индия) в районе действия сильных тропосферных вихревых возмущений - тропических циклонов, наблюдения за которыми проводилось по данным спутникового зондирования в северной части Индийского океана. Показано, что возможным крупномасштабным откликом состояния области D ионосферы может быть резкое понижение (в 2-4 раза) электронной концентрации в диапазоне высот 50-80 км в период функционирования активной фазы тропического циклона, что является впервые выявленным экспериментальным фактом непосредственного "быстрого" влияния мощных вихревых систем в тропосфере на вышележащую нижнюю ионосферу. Предложены варианты физических механизмов "быстрых" взаимодействий тропосферных возмущений с состоянием ионосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Тропическая зона глобальной системы океан -атмосфера играет ключевую роль в динамике и эволюции синоптических и климатических тропосферных процессов на Земле. В этой зоне генерируются достаточно организованные и устойчивые мезомасштабные мощные вихревые структуры -тропические циклоны (ТЦ) - из атмосферного турбулентного хаоса в системе глобальной циркуляции. В течение значительного времени человеческое сообщество рассматривало тропические циклоны как наиболее деструктивные элементы чисто тропосферной части системы "океан-атмосфера", вызывающие значительные материальные потери и человеческие жертвы [1-2].
Однако последние исследования тропического циклогенеза с использованием данных космического и наземного дистанционного зондирования указывают на принципиально иной взгляд на тропический циклогенез - мы с большой долей вероятности можем говорить об определяющей роли тропических циклонов в формировании глобального массо- и энергообмена в глобальной системе океан-атмосфера, включая, что очень важно, и внетропосферную часть этой системы (стратосферу, озоносферу и мезосферу) [2-4]. Глобальный тропический циклогенез, скорее всего, является необходимым и, возможно, и определяющим фактором в термодинамическом равновесии (понимаемой в широком смысле) в геофизической системе океан-атмосфера. Катастрофические атмосферные вихри представляют собой своеобразный механизм эффективного сброса избыточно-
го тепла в атмосфере в условиях, когда действие обычных механизмов, основным из которых является турбулентная конвекция и глобальная циркуляция, становится явно недостаточным (так называемый полярный перенос). Таким образом, катастрофические явления играют важную роль при установлении термодинамического режима Земли (парниковый эффект), отводя излишнее тепло и способствуя предотвращению чрезмерного перегрева атмосферы (ее тропосферной части) и поверхностного слоя океана в тропической зоне [3]. При этом следует иметь в виду то обстоятельство, что взаимодействие тропического циклогенеза с "внешними" воздействиями (например, с солнечной активностью) может иметь резко нелинейный характер, порождая как гармоники процессов, так и субгармоники (см. например [5]).
Таким образом, исследования взаимодействия ТЦ с системой океан-атмосфера не могут ограничиваться тропосферой и должны базироваться на рассмотрении крупномасштабного кризисного состояния как глобального явления, затрагивающего различные геофизические среды, начиная с океанической поверхности и тропосферы и кончая озоносферой и ионосферой. Изучение кинематических, термодинамических и электродинамических связей между элементами системы "океан-тропосфера-верхняя атмосфера-ионосфера" в кризисных состояниях является несомненно важнейшей компонентой космических исследований, и в настоящее время предпринимаются попытки организации комплексных исследований [6]. С другой стороны, исследования волновых возму-
19
2*
102 103 [e], см-3
o[e], %
Рис. 1. Сравнение экваториальных профилей [e](h), полученных на полигон Тумба (Индия) и НИС "Академик Королев" с моделью IRI (International Reference Ionosphere) и со среднеширотным летним распределением [e](h): 1 - полигон Тумба, низкая солнечная активность, Fw 7 = 78 ± 9, R = 20 (число солнечных пятен), Ap = 15, X = 71 ± 2°, N = 37 (количество пусков);
2 - полигон Тумба, высокая солнечная активность F107 = 182 ± 24, R = 129, Ap = 19, X = = 71 ± 2°, N = 33;
3 - НИС "Ак. Королев"; 4 - модель IRI; 5 - среднеши-ротное летнее распределение (полученное на полигоне г. Волгоград (49° с.ш., 41° в.д.): X = 77 ± 1°, F107 =
= 79 ± 10, Ap = 10 ± 9, N = 23, [e] - электронная концентрация, C[e] - среднеквадратическая погрешность, %.
щений и вариаций состояния ионосферы с точки зрения чисто аэрономических позиций ведутся не одно десятилетие [7]. При этом поиск физических особенностей обычно проводится в виде выявления длиннопериодных (20-50 и более сут) волновых возмущений и синоптических вариаций [8, 9] и, как правило, без попыток выявления физических источников ионосферных возмущений. Однако возможны и совершенно другие ("быстрые") механизмы, связанные с мощными выбросами заряженных частиц и нейтралов и излучением акусто-гравитационных волн из зоны стратосферного "выброса" тропического циклона на значительные высоты.
Целью настоящей работы является представление результатов специальной обработки данных ракетного зондирования нижней экваториальной ионосферы (слоя D) ракетного полигона "Тумба" (Индия) в области действия тропосфер-
ных катастроф - тропических циклонов, наблюдения за которыми, в свою очередь, проводились по данным спутникового зондирования в северной части Индийского океана.
БАЗА ДАННЫХ РАКЕТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
Ионосферные измерения, рассмотренные в настоящей работе, проводились Центральной аэрологической обсерваторией (ЦАО) Росгидромета на станции ракетного зондирования Тумба (8° с.ш., 77° в.д.), находящейся в экваториальной зоне. Исходные данные являются частью базы данных, описание которой можно найти в [10-13]. Фундаментом базы данных ЦАО является банк измерений электронной концентрации на метеорологических ракетах М-100Б зондовым методом, который основан на применении электростатического зонда Ленгмюра. Зонд был установлен на верхнем торце метеорологического шпиля ракеты, защищая его от влияния электрических и магнитных полей самой ракеты Оценочная среднеквадратическая погрешность индивидуального измерения составляет ~35% [11, 13]. При регулярном зондировании атмосферы на метеорологических ракетах кроме зонда электронной концентрации были установлены датчики температуры и аппаратура для измерения параметров ветра.
ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРНОЙ ОБЛАСТИ В
Несмотря на "бум моделирования" прошлого века, построение моделей области В (имеющее весьма важное для решения практических задач, в том числе и для рассматриваемой в данной работе) все еще сильно отстает от результатов моделирования более высоких ионосферных областей. Причина этого кроется как в сложности физических процессов (несомненное влияние тропосферных термодинамических воздействий, ионизация различными источниками, многообразие ионных компонент, сильные вариации скорости рекомбинации), так и в трудности надежных измерений величины электронной концентрации [е] в нижней ионосфере, о чем и было упомянуто выше.
Отметим, что проблеме зависимости электронной концентрации слоя В ионосферы низких и средних широт от зенитного угла при разной солнечной и геомагнитной активности на основе данных ракетного банка ЦАО уже были посвящены работы [14, 15].
Основным результатом полученных модельных летних распределений [е](к) в районе геомагнитного экватора в области В (рис. 1) являлось общее качественное сходство со среднеширотными летними профилями [14]. Количественные различия ниже 70 км соответствовали различиям в
Таблица 1. Гелиогеофизическая информация о пусках
Номер пуска Дата проведения пуска (дд.мм.гг.) Время проведения пуска, ит (ч, мин) Зенитный угол, град ■10.7 Кр Ар Бэ^ нТ
46 01.05.1985 11.34 71 81 3 10 34
47 08.05.1985 11.55 76 84 3 8 5
48 16.05.1985 11.54 76 95 2 11 19
49 22.05.1985 11.35 71 83 1 5 3
50 29.05.1985 11.55 75 73 0 4 4
51 05.06.1985 11.37 70 84 1 5 1
52 19.06.1985 11.58 74 72 1 3 8
53 27.06.1985 12.16 77 70 2 13 13
Таблица 2. Метеорологическая информация о пусках
Номер пуска Т75, °С ТБр,°С Т30, °С V 80, м/с Vy80, м/с V 60, м/с Vy 60, м/с Ух30, м/с ^,30, м/с
46 -108 3 -33 - - -5 33 -2 17
47 -92 -3 -40 - - 0 12 0 -1
48 -99 -8 -38 2 -100 12 -6 1 3
49 - -7 -39 - - - - -3 5
50 -104 -5 -41 -16 -62 13 21 -5 -5
51 -101 -9 -42 -22 -90 -10 27 1 -3
52 -88 -12 -45 - - -5 -42 2 3
53 - - - - - - - - -
функции ионообразования за счет галактических космических лучей - ГКЛ. Различие выше 80 км, возможно, определялись широтным ходом ионов закиси азота (N0). Действительно, выше 80 км электронная концентрация в средних широтах заметно ниже, чем на экваторе. Этот факт подтверждает и наличие геомагнитной экваториальной аномалии в нижней ионосфере.
ВАРИАЦИИ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ОБЛАСТИ ТРОПОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
В табл. 1 представлена гелиогеофизическая информация о профилях электронной концентрации, а также время проведения самих ракетных пусков за май-июнь 1985 г. В таблице приведены следующие индексы: ^10.7 - поток солнечного радиоизлучения на волне 10.7 см, выраженный в Вт/(м2 Гц); Кр - безразмерный (выражается в баллах) планетарный геомагнитный индекс, который вычисляется как среднее значение в трехча-
совом интервале квазилогарифмических К-ин-дексов, и являющийся мерой возмущенности горизонтального магнитного поля Земли (индекс Кр определяется на 13 геомагнитых обсерваториях, расположенных между 44° и 60° северной и южной геомагнитных широ
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.