ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 807-816
УДК 550.383
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ НОЧНЫХ УВЕЛИЧЕНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В МАКСИМУМЕ /2-СЛОЯ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2014 г. А. Ф. Яковец, В. В. Водянников, Г. И. Гордиенко, Ю. Г. Литвинов
Институт ионосферы, АО Национальный центр космических исследований и технологий, г. Алматы, Казахстан
e-mail: artyak40@mail.ru Поступила в редакцию 10.02.2014 г. После доработки 01.04.2014 г.
По данным вертикального зондирования ионосферы в Алма-Ате (76°55' E, 43° 15' N), проведенного в 2002—2012 гг., исследована реакция параметров FZ-слоя ионосферы, включающих высоту максимума и основания слоя, его полутолщину и электронную плотность на ряде фиксированных высот, на различные типы ночных увеличений электронной плотности в максимуме /2-слоя (NmF2). Продемонстрированы примеры записей комбинации увеличений, обусловленных различными механизмами. Установлено подобие реакции параметров F2-слоя на ночные увеличения, обусловленные подъемом слоя и потоком плазмы из протоносферы, и прохождением крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений. Отмечены трудности при идентификации этих двух явлений в случае их одинаковой продолжительности. Показано различие в реакции параметров F2-слоя на увеличения, вызванные подъемом слоя и потоком плазмы из протоносферы и проявлением летней среднеширотной аномалии ионосферы.
DOI: 10.7868/S0016794014050186
1. ВВЕДЕНИЕ
Известны различные типы ночных увеличений электронной концентрации максимума /2-слоя (NmF2) среднеширотной ионосферы, различающиеся механизмами их формирования. Принято считать, что механизмы ночных увеличений, формируемых до местной полуночи (1-й пик), отличаются от механизмов формирования послепо-луночных увеличений (2-й пик). На это указывает различный характер сезонных зависимостей вероятности формирования ночных увеличений NmF2 [Mikhailov et al., 2000a]. Если вероятность появления 1-го пика максимальна в летние месяцы для периода максимума солнечной активности, то вероятность появления 2-го пика максимальна в зимние месяцы при любой активности. В большей части работ [Balan et al., 1994; Mikhailov et al., 2000b; Pavlov and Pavlova, 2005; Павлов и др., 2008; Князева и др., 2012] ночные по-слеполуночные увеличения NmF2 среднеширот-ной ионосферы связывают с увеличением скорости направленного вниз потока плазмы из протоносферы и подъемом FZ-слоя, обусловленным направленным к экватору термосферным ветром, на высоты, где скорость рекомбинации невелика.
В работе [Liu et al., 2013] возможной причиной предполуночного увеличения электронной концентрации назван эффект летней ночной аномалии, впервые наблюденной в районе моря Уэд-делла и названной аномалией моря Уэдделла
[Penndorf, 1965]. Автором было показано, что летом суточные вариации NmF2 отклоняются от поведения, характерного для простого слоя, контролируемого потоком солнечной ионизирующей радиации. Аномалия характеризуется увеличением электронной плотности /2-слоя, наблюдаемым в начале местной ночи. Аналогичный эффект был обнаружен и в северном полушарии в летние месяцы [Rishbeth, 1968]. Моделирование, проведенное впервые Rishbeth [1968], позволило интерпретировать летнюю аномалию следующим образом. Ночью преобладает термосферный ветер, направленный к экватору. Он заставляет ионосферную плазму дрейфовать кверху, при этом плазма начинает дрейфовать еще до захода Солнца перед тем, как прекратится процесс фотоионизации. Дрейф плазмы выталкивает /2-слой на большие высоты, где скорость рекомбинации очень маленькая, и NmF2 может возрасти.
Вероятность формирования ночных увеличений NmF2 весьма высока. В среднем она достигает 50%, а в зимние месяцы может превышать 80% [Mikhailov et al., 2000a; Farelo et al., 2002]. Следует заметить, что ночные вариации NmF2 могут быть обусловлены также крупномасштабными перемещающимися ионосферными возмущениями (КМ ПИВ) [Tsagouri and Belehaki, 2002]. КМ ПИВ являются проявлением распространения атмосферных гравитационных волн (АГВ), генерируемых в полярных районах во время геомагнитных возмущений [Hunsucker, 1982], и в нижней атмо-
сфере независимо от уровня магнитной активности [Vadas and Liu, 2009]. Распространение АГВ в нейтральной атмосфере и их ионосферное проявление изучалось как экспериментально, так и теоретически в течение многих лет. Результаты этих исследований сведены в ряде обзорных работ [Hunsucker, 1982; Hocke and Schlegel, 1996]. Типичные периоды КМ ПИВ, составляющие ~40 мин — 3 ч, перекрываются с диапазоном длительностей ночных пиков NmF2 [Лоис, 1990]. Вероятность наблюдения КМ ПИВ также велика. Анализ результатов продолжительных наблюдений F2-слоя, выполненных на ионозонде и радаре некогерентного рассеяния, показал, что вероятность превышает 50% [Яковец и др., 2011; Fedorenko et al., 2013]. Высокие вероятности формирования ночных увеличений NmF2 и прохождения КМ ПИВ означают большую вероятность их одновременного присутствия над местом наблюдения, что приводит к необходимости различать эти два явления между собой. Однако существование этой проблемы и возможные пути ее решения никак не обозначаются в большинстве работ, посвященных исследованию этих явлений. Решение проблемы путем выбора только магнитоспокойных ночей (Ар < 12) [Mikhailov et al., 2000a] не полностью устраняет ее, так как КМ ПИВ наблюдаются с большой вероятностью и в магнитоспокойные ночи [Tsugawa et al., 2004; Яковец и др., 2013]. Существование проблемы подтверждается также тем обстоятельством, что при исследовании ночных увеличений NmF2 [Mikhailov et al., 2000a] иногда регистрировалось несколько пиков. В таких случаях выбирался наибольший пик и определялись его параметры. В то же время присутствие нескольких пиков в вариациях NmF2 скорее характерно для КМ ПИВ, которые обычно представляют цуги колебаний электронной концентрации во временной и пространственной областях.
Поэтому целью настоящей работы является выделение признаков в поведении ночного F2-слоя, позволяющих идентифицировать явления увеличений NmF2 и КМ ПИВ по данным вертикального зондирования ионосферы. При этом анализировались как поведение NmF2, так и вариации электронной концентрации на фиксированных высотах, а также поведение высоты максимума и основания слоя и его полутолщины. Авторами не ставилась задача исчерпывающей интерпретации механизмов формирования явлений.
2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДА ОБРАБОТКИ
Вертикальное зондирование ионосферы проводились в Институте ионосферы (Алма-Ата (76°55' E, 43°15' N)) на цифровом ионозонде "Парус". Ионозонд обеспечивает точность считывания действующих высот отражения h'(f) ~ 2.5 км и рабочих частотf ~ 0.05 МГц. Информация, необ-
ходимая для расчетов разнообразных параметров Р2-слоя, считывалась с ионограмм полуавтоматическим методом с участием опытного оператора. В работе ^апкоу е! а1., 2012] показано, что подобный способ обработки ионограмм обладает большей, по сравнению с автоматическим методом, точностью считывания ионосферных параметров и большим статистическим выходом ионограмм, пригодных к обработке. Зондирование ионосферы проводилось каждые 5 мин. С ионограмм счи-тывались значения действующих высот отражения И'(/ радиосигнала на ряде рабочих частот и значения критических частот /0,хХР2. Дальнейшая обработка представляла расчет высотных распределений электронной плотности (Щ(И) -профилей) методом РОЬАЫ [Titheridge, 1985] и получение временных вариаций ряда параметров Р2-слоя (электронной плотности на фиксированных высотах (N,(0), плотности в максимуме слоя (ЩтР2), истинных высот максимума (ИтР) и основания (НШР) слоя и его полутолщины (ДА = ИтР — кЬо1Р). За высоту основания Р2-слоя выбиралась высота, которой соответствовало значение электронной плотности 0.3ЩтР2. Коэффициент 0.3 был подобран эмпирически из соображения наибольшего приближения этой высоты к высоте, на которой на экспериментальных Щ(И) -профилях начинался значительный высотный градиент электронной плотности.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для оценки геомагнитной обстановки использовался Л^-индекс магнитной активности. На рисунках, приведенных в работе, обозначена пиковая величина Лй-индекса, имевшая место во временном интервале, начинающемся за несколько часов до начала зафиксированного явления и оканчивающемся в его конце. Выбор границ интервала оценки величины геомагнитной активности, которая может быть увязана с наблюдаемым явлением, определяется тем, что обычное время распространения возмущений от полярных до средних широт составляет ~2—3 ч [Нипискег, 1982]. На рисунке 1а изображено изменение электронной концентрации во времени на ряде фиксированных высот и в максимуме слоя (жирная кривая) при низком уровне магнитной активности, когда по-слеполуночное увеличение электронной концентрации наблюдалось на фоне ее спокойного суточного хода. Расстояние между соседними высотами составляет 10 км, а нижняя высота для этого случая равна 230 км. На рисунке 1б приведено поведение ИтР, кЬо1Р, ДА и /оР, основные моменты которого можно описать следующим образом. Термосферный ветер, направленный к экватору, поднимает слой с высоты ИтР~ 315 км в I ~ 21:10 на высоту ИтР ~ 425 км в I ~ 00:20, при этом полутолщина слоя медленно уменьшается от значения
а
б
Время, ЬТ, ч
Рис. 1. Изменения электронной концентрации во времени на ряде фиксированных высот и в максимуме слоя (жирная кривая) при низком уровне магнитной активности, когда послеполуночное увеличение электронной концентрации наблюдается на фоне ее спокойного суточного хода (а). Поведение НтГ, НЬо^, АН и/оГдля этого случая (б).
АН ~ 90 км в / ~ 21:45 до значения АН ~ 70 км в бинации, приводит к тому, что в / ~ 22:40 скорость / ~ 01:55. Подъем слоя на высоты, характеризую- падения ЫтГ2 заметно снижается, а в / ~ 24:00 щиеся значительно меньшими скоростями реком- ЫтГ2 начинает расти за счет усиления направ-
ленного вниз потока плазмы из протоносферы. Уменьшение полутолщины слоя свидетельствует об уменьшении электронной температуры. Так формируется самоподдерживающийся лавинообразный процесс, лежащий в основе механизма фор
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.