научная статья по теме КАКОЙ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СООТВЕТСТВУЕТ МЕДИАНА КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ F2-СЛОЯ НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ? Геофизика

Текст научной статьи на тему «КАКОЙ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СООТВЕТСТВУЕТ МЕДИАНА КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ F2-СЛОЯ НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ?»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 343-349

УДК 550.388.2

КАКОЙ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СООТВЕТСТВУЕТ МЕДИАНА КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ /2-СЛОЯ

НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ? © 2015 г. М. Г. Деминов, Г. Ф. Деминова

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: deminov@izmiran.ru Поступила в редакцию 20.01.2015 г.

На основе анализа данных критической частоты /2-слояfoF2 станций Слау и Чилтон за 1954—2013 гг. установлена связь индексов солнечной и геомагнитной активности для медианыfoF2 за месяц со средними значениями этих индексов. Получено, что нет систематической разницы между индексом солнечной активности для медианы foF2 и средними за 81 день или 1 год значениями индекса этой активности. Случаи, когда медиана foF2 соответствует высокой геомагнитной активности, встречаются примерно в 3—4 раза реже случаев наблюдения такой высокой активности. Поэтому в среднем геомагнитная активность, которая соответствует медианеfoF2, меньше среднего за месяц значения этой активности, и эта разница увеличивается с ростом геомагнитной активности. Характеры связей индексов солнечной и геомагнитной активностей для медианfoF2 со средними значениями этих индексов почти совпадают для периодов относительно высокой (1954—1995 гг.) и низкой (1996— 2013 гг.) солнечной и геомагнитной активности.

DOI: 10.7868/S0016794015030062

1. ВВЕДЕНИЕ

Считается, что медианаfoF2 за месяц является оптимальной характеристикой критической частоты /2-слоя в долгосрочном прогнозе регулярных (климатических) изменений ионосферы [Zolesi and Cander, 2014]. Например, базовый вариант международной модели ионосферы IRI дает именно медиану foF2 [Bilitza et al., 2014]. Прогноз медианы foF2 в этой модели основан на зависимости foF2 от индекса солнечной активности R12 или эффективного (ионосферного) индекса этой активности IG12 и долгосрочном прогнозе этих индексов, где R12 — среднее за 12 месяцев относительное число солнечных пятен, IG12 — ионосферный индекс солнечной активности как замена R12, который определен по экспериментальным значениям медиан foF2 так, чтобы минимизировать ошибку foF2 в модели IRI [Liu et al., 1983; Bilitza etal., 2014]. Разные методы обработки экспериментальных значений медиан foF2 дают различающиеся ионосферные индексы солнечной активности, к которым относятся ГГ-индекс [Caruana, 1990] и ЫБ2-индекс [Mikhailov and Mikhailov, 1995; Mikhailov, 1999]. Во многих случаях учет эффективных индексов солнечной активности позволяет обеспечить увеличение точности прогноза медианы foF2 конкретной станции по сравнению с вариантом использования для этих целей индекса R12 [Liu et al., 1983; Caruana, 1990; Mikhailov and

Mikhailov, 1995]. Данное преимущество эффективных индексов солнечной активности объясняют тем, что изменения медианы foF2 с циклом солнечной активности зависят не только от уровня этой активности, но и от ряда других факторов, включая геомагнитную активность, которые не учитываются с помощью R12. Зависимость медианы foF2 от геомагнитной активности анализировалась только в нескольких работах и была основана на поиске зависимости foF2 от Apm [Sole, 1998] или Ap12 [Xu et al., 2008], где Apm — среднее за данный месяц значение Ap-индекса геомагнитной активности, Ap12 — среднее за 12 месяцев значение этого индекса. Кроме того, зависимость медианы foF2 от Apm учитывалась при анализе долговременных изменений этой медианы

[Bremer, 1998; Lastovi С ka et al., 2006; Bremer et al., 2012]. Средние индексы солнечной и геомагнитной активности (например, R12 и Apm) центрированы на середину месяца, поскольку обычно неизвестен день месяца, по которому была определена медиана foF2 конкретной станции для данного месяца и мирового времени (для определенности будем считать, что число дней месяца, использованных для вычисления этой медианы, нечетно). В этом еще одна причина относительно низкой точности известных моделей медиан foF2, основанных на солнечных и геомагнитных ин-

дексах активности [Sole, 1998; Xu et al., 2008; Bilit-za et al., 2014].

Другой подход к решению этой задачи связан с последовательным определением даты, в которую значение foF2 равно медиане, индексов солнечной и геомагнитной активности для этой даты и, тем самым, соответствия конкретной медианы foF2 для данного месяца и мирового времени конкретным уровням солнечной и геомагнитной активности. Такие индексы солнечной и геомагнитной активности названы точными индексами активности. Статистический анализ таких результатов может позволить получить связь точных индексов солнечной и геомагнитной активности со средними индексами этой активности и тем самым обеспечить возможность построения более корректной модели медианы foF2, основанной на солнечных и геомагнитных индексах активности.

Главной целью данной работы было решение первой части этой задачи — определение свойств точных индексов геомагнитной активности для медианы foF2 на средних широтах на примере анализа данных станций Слау (Slough, 51.5° N, 0.6° W) и Чилтон (Chilton, 51.6° N, 1.3° W) за 1954—1995 и 1996—2013 гг. соответственно. Обычно данные станций Слау и Чилтон объединяют, поскольку координаты этих станций почти совпадают. Здесь эти данные рассмотрены отдельно для выделения возможных особенностей свойств медиан foF2 при отличающихся средних значениях уровней солнечной и геомагнитной активности. Например, в среднем индекс Apm равен ~15 и 10.4 для интервалов 1954-1995 и 1996-2013 гг. соответственно.

2. ИНДЕКСЫ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

Здесь под медианой /о/2 за месяц для данного дня и мирового времени иТ понимается скользящая медиана за 31 день (предыдущие 15 дней, данный день и последующие 15 дней). Медиана /оЕ2 для данного дня есть значение /оЕ2 в выделенный день (для определенности считаем, что число дней п, по которым вычисляется медиана /оЕ2, нечетно). Отметим, что выделенный день может отличаться от данного дня на 15 сут. Если п меньше 15, то данный день для данного мирового времени исключается из анализа свойств точных индексов солнечной и геомагнитной активности.

В качестве точных индексов солнечной и геомагнитной активности для выделенного дня (или средних значений этих индексов за два выделенных дня для четных п) использованы индексы

Р = (^ + ^/2, (1)

ар(т) = (1 — т)(ар0 + ар-1т + ар-2т2 + ...), (2)

где F1 и F81 — величина потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см (F 10.7) в этот день и среднее за 81 день (центрированное на выделенный день) значение этого потока. Индекс ар(т) — средневзвешенное (с характерным временем T = 14 ч, т = exp(—3/T) ~ 0.8) значение ар-индекса геомагнитной активности в выделенный день для данного UT, где ар0, ар-1, ... — значения ар за данный, предыдущий трехчасовой интервал и т.д. [Wrenn, 1987]. Величины F 10.7 и ар измеряются в 10-22 Вт/(м2 Гц) и нТл соответственно. Выбор индекса P связан с тем, что он использовался как достаточно адекватный индикатор солнечной активности для ежедневных значений солнечного ультрафиолетового излучения [Richards et al., 1994, 2006] и NmF2 [Lei et al., 2005; Liu et al., 2006; Ma et al., 2009]. Индекс ар(т) и его аналоги использовались как индикаторы вклада геомагнитной активности в параметры термосферы [Picone et al., 2002] и foF2 [Шубин и Аннакулиев, 1995; Wrenn and Rodger, 1989; Fuller-Rowell et al., 2000; Kutiev and Muhtarov, 2001, 2003; Pietrella and Perrone, 2008; Pietrella, 2012] в периоды геомагнитных бурь, но не суббурь [Deminov et al., 2013]. Использованные в этих работах значения т изменяются в пределах от ~0.7 до 0.9, и принятое здесь значение т « 0.8 соответствует среднему из этих значений т.

В качестве средних индексов солнечной и геомагнитной активности использованы индексы

F81m , F12m и Арт ,

где F81m и F12m — средние за 81 день и 12 месяцев значения индекса F10.7; Арт — среднее за 31 день значение Ар-индекса геомагнитной активности; Ар — среднее за сутки значение 3-часового индекса ар. Здесь и ниже все величины с индексом "m" центрированы на данный день, т.е. середину скользящего месяца в 31 день.

Ниже представлены результаты анализа зависимостей точных индексов солнечной и геомагнитной активности (P и ар(т)) от средних индексов этой активности (F81m, F12m и Арт) для медиан foF2 станций Слау и Чилтон за 1954—1995 и 1996— 2013 гг. на основе часовых значений foF2 этих станций. Для совпадающих дат данные foF2 этих станций практически совпадают. Здесь они рассмотрены отдельно для анализа возможных особенностей свойств точных индексов солнечной и геомагнитной активности в последние десятилетия.

3. ИНДЕКСЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ДЛЯ МЕДИАНЫ /о^2

По данным ст. Слау в полдень за 1954—1995 гг. получено, что зависимости точного индекса Р для медианы/оЕ2 от средних индексов ^81т и Р12т описываются линейными уравнениями регрессии

Рис. 1. Зависимости точного индекса солнечной активности Р для медианы /оГ2 в полдень (по данным ст. Слау за 1954—1995 гг.) от средних индексов этой активности р81т и Р\2т — точки. Штриховые линии — аппроксимации этих зависимостей уравнениями регрессии (3).

Р = 1.002^81т - 0.5 ± 10.2, Р = 1.018^12т - 2.8 ± 15.0

(3)

с коэффициентами корреляции К = 0.98 и К = = 0.96 соответственно, где а = 10.2 и а = 15.0 — стандартные отклонения измеренных значений Р от вычисленных по этим уравнениям. В среднем Р81т ~ Р12т ~ 133 для интервала 1954—1995 гг. Поэтому а « 8.4% и а « 11.3% для этих уравнений соответственно. Уравнения (3) показывают, что практически нет систематического отличия между точным индексом солнечной активности для медианы/оР2 и средними индексами этой активности. Следовательно, индексы ^81т и Р*12т являются достаточно адекватными индикаторами солнечной активности в задачах прогнозирования медианы/<оР2. Более наглядно о степени соответствия между этими индексами можно судить по рис. 1.

Обозначим через Рт значение Р в данный день, который соответствует середине данного скользящего месяца в 31 день. Зависимости Рт от р81т и Р12т по всем ежедневным данным об этих индексах за 1954—1995 гг. описываются ур

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.

Показать целиком