ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 6, с. 17-24
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 550.388.2
КОРОТКОПЕРИОДНЫЕ ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ В РЕГИОНАХ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
© 2008 г. М. А. Черниговская1*, Е. А. Шарков2, В. И. Куркин1, И. И. Орлов1, И. В. Покровская2
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск 2Институт космических исследований РАН, Москва *Е-таП: cher@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 21.04.2008 г.
Проведено исследование короткопериодных временных вариаций максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) односкачковых сигналов наклонного зондирования, вызванных изменениями параметров верхней ионосферы вдоль трассы Магадан—Иркутск в ноябре 2005 г. Анализ выполнялся с помощью разработанных в ИСЗФ СО РАН методики и алгоритма поиска периодичностей для временных рядов. Использовался скользящий режим обработки для поиска периодичностей в определенном диапазоне периодов (порядка десятков минут, часов). Обнаружено усиление мощности спектров МНЧ для периодов 1 и 2 ч в отдельные дни рассматриваемого временного интервала, что можно интерпретировать как проявление перемещающихся ионосферных возмущений, связанных с распространением в ионосфере внутренних волн. Обсуждаются возможные причины выявленных изменений ионосферных параметров, в том числе метеорологического происхождения.
ВВЕДЕНИЕ
Термосфера и ионосфера Земли являются наиболее изменчивой частью земной атмосферы. Доминирующими факторами в термодинамическом режиме ионосферы являются гелио- и геомагнитная активность (электромагнитное излучение Солнца, корпускулярные потоки частиц, магнитные поля). В настоящее время окончательно утвердилась точка зрения, что атмосфера Земли является единой динамической системой, и вариации ионосферных параметров не могут быть поняты, если считать ионосферу изолированной от нижележащих слоев атмосферы. Исследование атмосферно-ионосферного взаимодействия является одним из актуальных и наиболее перспективных направлений геофизики. На параметры термосферы и ионосферы оказывают большое влияние различные геофизические факторы (метеорологические, сейсмические и др.). Изменения атмосферных характеристик в нижней и средней атмосфере могут приводить к вариациям параметров на ионосферных высотах. В обзорных работах [1—3] показана важность исследований влияния различного рода волновых движений, возникающих в стратосфере и тропосфере, на распределение параметров ионосферы на высотах 200—400 км, приведены корреляционные характеристики воздействия внутренних гравитационных, приливных и планетарных волн на изменения критических частот в /-области.
Множество ранних исследований показывают существование тесных корреляционных связей между волновыми возмущениями в атмосфере и
ионосфере и мощными погодными явлениями, такими как грозы, тайфуны, торнадо, тропические циклоны, холодные фронты и т.п. В [4] отмечаются волнообразные ионосферные возмущения с характерными периодами 2—5 мин, тесно связанные с мощными штормами в тропосфере и интерпретируемые как проявление АГВ, генерируемых штормами.
В работах [5—7] авторы приводят описание квазисинусоидальных колебаний, зарегистрированных во время сильных гроз. Авторы работ [8, 9] обнаружили среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) с периодами 13—15 мин и 27—30 мин и крупномасштабные — с периодом 36 мин на высотах /-области ионосферы для метеорологических событий: исключительного по силе торнадо 3 апреля 1974 г. и урагана Eloise 22—23 сентября 1975 г.
Регистрируются также и другие ионосферные эффекты метеорологических возмущений: ин-фразвуковые колебания, электрические поля, нагрев, оптические эмиссии, появление рассеяния в /-области ионосферы (/-spread) [10—14].
На средних широтах в спокойных геомагнитных условиях, когда воздействие магнитосфер-ных эффектов на характеристики ионосферы минимально, фоновые параметры нейтральной атмосферы и ионосферы могут меняться ото дня ко дню в значительных пределах (до 15—20% и более), вызывая вариации характеристик ионосферного радиоканала. Поэтому при построении моделей атмосферы и ионосферы возникают различного рода неопределенности — с какими про-
E
ШГ 86-
4-
Сут
Рис. 1. "Энергия" Е на частоте ш временного ряда данных МНЧ сигналов НЗ вдоль трассы Магадан-Иркутск в ноябре 2005 г.
цессами можно связать такие вариации, каковы их количественные характеристики, которые можно было бы учесть при построении моделей. Решение этих вопросов является очень важной геофизической задачей.
В данной работе проведено исследование ко-роткопериодных временных вариаций максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) односкач-ковых сигналов наклонного зондирования (НЗ), вызванные изменениями параметров верхней ионосферы вдоль трассы Магадан—Иркутск в ноябре 2005 г.
ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
В период с 9 по 19 ноября 2005 г. проводились исследования распространения радиоволн на трассе наклонного зондирования ионосферы Магадан—Иркутск, проходящей в регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Измерения максимальных наблюдаемых частот проводились с пятиминутным интервалом. Протяженность среднеширотной трассы Магадан—Иркутск составляет около 3000 км. Геометрия трассы такова, что точка излучения Магадан и средняя точка трассы (область ионосферы, от которой происходит отражение радиосигналов) — район Якутска имеют приблизительно одинаковую геомагнитную широту ~51° с.ш., поэтому условия прохождения радиоволн на этой трассе в значительной мере определяются состоянием субавроральной ионосферы и динамикой границ ее крупномасштабных структур, связанной с изменением уровня магнитной возмущенности.
Геомагнитная обстановка в период наблюдения в целом была спокойной, за исключением 13 и 19 ноября, когда индекс Кр достигал 4. Поток радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см (/\07), характеризующий ионизирующую способность Солнца, изменялся от 99 до 76 (в ед.10-22 Вт/(Гц м2)).
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ДАННЫХ
Анализ данных выполнялся с использованием разработанной в ИСЗФ СО РАН методики поиска периодичностей для временных рядов данных [15]. Конкретный вариант методики основывался на схеме со скользящим временным окном при поиске интенсивности выбранного периода в определенном диапазоне (порядка десятков минут, часов).
Пусть задан набор данных {fk}n, которые получены в произвольные моменты времени {tk}^. Поиск интенсивностей исследуемых периодов проводился с использованием скользящего временного окна, длительность которого выбиралась равной нескольким исследуемым периодам. Результаты расчета относились к средней точке выбранного скользящего временного окна.
Схема расчета интенсивности исследуемого периода кратко состояла в следующем. Предварительно из всего ряда данных вычиталось среднее значение. Далее, для анализируемого временного окна, с преобразованным набором данных
{f p}m , находился минимум функционала
m
— 2
Q(a, b) = ^ (f p - a cos (ю tp) - b sin(ю tp)) , (1)
p = k
где f p — преобразованные данные (с вычтенным средним), а ю — исследуемая частота (период). В качестве характеристики интенсивности использовалась величина Ja2 + b2, которую можно рассматривать как "энергию" E на частоте ю, соответствующую интервалу времен от tk до tm.
Расчеты E проводились на сетке периодов с шагом, равным 0.5 ч. Минимальный период выбирался равным 30 мин, а максимальный — 10 сут (рис. 1). После удаления из исходного ряда данных МНЧ приливных гармоник (с периодами 8 и 6 ч) был рассчитан спектр мощности E гармоник короткопериодных вариаций. Из графика спектра мощности (рис. 2) видно, что в рассматриваемый период происходило усиление спектральной плотности мощности сигнала для периодов 1 и 2 ч. Эти периодичности были проанализированы более подробно.
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ
На рис. 3 представлены результаты расчета энергетики МНЧ для периодов 1 ч — U10 (рис. 3а) и 2 ч U20 (рис. 3б) со скользящим окном 7 ч. Расчеты основаны на использовании функционала (1). Временной сдвиг скользящего окна равен 1 ч. Здесь же приведены вариации геомагнитных параметров. Из сопоставления графиков для энергетики МНЧ и индексов геомагнитной активности видно, что не во всех случаях усиление мощ-
ности энергетики МНЧ связано с усилением геомагнитной возмущенности.
Усиление энергетики спектра сигнала на определенных частотах ю можно интерпретировать как проявление ПИВ, связанных с распространением внутренних волн (ВВ).
Источниками ВВ могут быть: возмущения гелио-и геомагнитной обстановки (внешний фактор); атмосферные процессы (внутренний фактор) — тропосферные циклоны, фронтальные системы, струйные течения, полярная и экваториальная токовые системы, связанные с магнитными бурями, солнечный терминатор, ураганы, грозы, ядерные испытания, землетрясения, извержения вулканов, сверхзвуковой полет ракет и т.д. Эти источники в основном двух типов: природные и искусственные.
Детали механизма влияния солнечных и геомагнитных факторов на процессы в атмосфере и ионосфере (воздействие "сверху") интенсивно исследовались в течение длительного периода. Воздействию же со стороны нижних слоев атмосферы (воздействие "снизу") до сих пор уделялось значительно меньше внимания.
Одним из эффективных механизмов взаимодействия между слоями атмосферы и воздействия со стороны нижних слоев атмосферы является волновой механизм [16].
Локальные импульсные возмущения в нижней атмосфере возбуждают широкий пространственно-временной спектр ВВ, который фильтруется по мере распространения волн в атмосфере. Распространяясь вверх по наклонным траекториям, ВВ переносят энергию из тропосферы в среднюю атмосферу и ионосферу на многие сотни и даже тысячи километров. При этом амплитуда ВВ растет. Достигая мезосферы, волны могут разрушаться, и это приводит к локальному нагреванию и движениям атмосферного газа. Однако при определенных условиях ВВ могут достигать высот максимума ионосферы (~300—350 км). Теоретические расчеты и экспериментальные данные показывают, что они обнаруживаются на горизонтальных расстояниях до нескольких тысяч километров от источника возбуждения. Они могут захватываться в волноводный канал, гд
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.