УДК 550.385
ОСЦИЛЛЯЦИИ ТЕРМОСФЕРНОГО ВЕТРА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ © 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 06.05.2013 г. После доработки 01.07.2013 г.
Проанализированы параметры осцилляций меридионального термосферного ветра во время прохождения крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений, полученных на основе ночных наблюдений /-области ионосферы, проведенных в Институте ионосферы (Алма-Ата, 76°55' E, 43° 15' N) в 2000—2007 гг. с помощью цифрового ионозонда. Обработка данных ионосферного зондирования позволила получить временные вариации электронной концентрации N(t) на фиксированных высотах и вариации высоты максимума hmF и основания hbotF /-области. За указанный период было проведено 1166 сеансов наблюдения, и 581 сеанс характеризовался волновой активностью. Для анализа были выбраны сеансы с относительной амплитудой вариаций N(t), превышающей 25%. Общее количество таких сеансов составило 63. Получено выражение для расчета амплитуд осцилляций меридионального ветра, исходя из измеренных величин амплитуд осцилляций высоты hbotF. Показано, что использование этого выражения для высоты hmFдает завышенные амплитуды осцилляций термосферного ветра. Из регрессионного выражения получены оценки величины диффузионного члена, являющегося причиной увеличенных амплитуд осцилляций hmF по сравнению с амплитудами осцилляций hbotF.
DOI: 10.7868/S0016794014040142
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (КМ ПИВ) являются проявлением атмосферных гравитационных волн (АГВ), генерируемых в полярных регионах во время геомагнитных бурь [Hunsucker, 1982], когда быстрое усиление полярных элек-троджетов приводит к локальному нагреву атмосферы. Процесс быстрого расширения и последующего сжатия атмосферы создает атмосферные гравитационные волны, распространяющиеся к экватору и генерирующие КМ ПИВ на своем пути. Ряд наблюдений показал, что КМ ПИВ также могут сохраняться во время магнитоспокойных периодов [Tsugawa et al., 2004; Hawlitschka, 2006]. Распространение АГВ в нейтральной атмосфере и их ионосферные проявления (КМ ПИВ) изучались как экспериментально, так и теоретически в течение многих лет. Результаты этих исследований представлены в серии обзорных работ [Yeh and Liu, 1974; Hunsucker, 1982; Hocke and Schlegel, 1996].
Типичные параметры КМ ПИВ в /'-области ионосферы следующие: периоды составляют от ~40 мин до ~3 ч, горизонтальные длины волн — от ~1000 до ~3000 км, а скорость — от ~400 до ~1000 м/с. Эти параметры рассматриваются во
многих работах, но сведения о колебаниях меридионального ветра, обусловленных прохождением АГВ, достаточно скудны. Shiokawa й а1. [2003] измерили колебания меридионального ветра от —94 м/с, направленного к экватору, до +44 м/с, направленного к полюсу, во время прохождения единичной АГВ. Ьее й а1. [2004] измерили колебания меридионального ветра в течение нескольких магнитовозмущенных дней. Колебания меридионального ветра связаны с энергией и импульсом АГВ и, следовательно, их измерения важны для понимания характеристик распространения АГВ. Поэтому целью данной работы явилась разработка метода и экспериментальное исследование осцилляций меридионального ветра на основе данных, полученных на ионозонде в течение второй половины 23-го цикла солнечной активности (2000—2007 гг.).
2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОД РАСЧЕТА ОСЦИЛЛЯЦИЙ ТЕРМОСФЕРНОГО ВЕТРА
Ночные наблюдения КМ ПИВ в /-области ионосферы проводились в Институте ионосферы (Алма-Ата, 76°55' Е, 43° 15' N на цифровом ионозонде "ПАРУС", сопряженном с компьютером, предназначенным для сбора, хранения и обработ-
ки ионограмм в цифровом виде. Информация, необходимая для расчетов разнообразных параметров КМ ПИВ, считывалась с ионограмм полуавтоматическим методом с участием опытного оператора. В работе [81апкоу й а1., 2012] показано, что подобный метод обладает большей, по сравнению с автоматическим методом, точностью считывания ионосферных параметров с ионо-грамм и большим статистическим выходом ионо-грамм, пригодных к обработке. Зондирование ионосферы проводилось каждые 5 мин. С ионограмм считывались значения действующих высот отражения к'(0 радиосигнала на ряде фиксированных рабочих частот зондирования и значения критических частотВыбор ночного периода суток для наблюдений был обусловлен тем, что на средних широтах КМ ПИВ с большими амплитудами вариаций ионосферных параметров наблюдаются, в основном, в ночное время [На]ко'тс2, 1990; АзИкаИеу й а1., 2003]. Дальнейшая обработка представляла собой получение высотных распределений электронной плотности (^к)-профилей) методом POLAN [И1кег1ё§е, 1985] и получение из профилей вариаций ряда параметров /-области (электронной плотности на фиксированных высотах N,(0, плотности в максимуме области N^(1), высот максимума Нт¥ и основания кЬо1/-области). За высоту основания /-области выбирались высота, которой соответствовало значение электронной плотности на уровне 0.3 NmF. Коэффициент 0.3 был подобран эмпирически из соображения наибольшего приближения этой высоты к высоте, на которой на экспериментальных ^к^-профилях наблюдался значительный высотный градиент электронной концентрации. За период 2000—2007 гг. было проведено 1166 ночных наблюдений, при этом 581 ночь характеризовались волновой активностью, связанной с КМ ПИВ [Яковец и др., 2011]. Вариации N,(1) на серии высот к позволяли определять форму высотного профиля амплитуд А(к) с максимальной абсолютной амплитудой Ат. Для анализа мы выбрали сеансы наблюдений, во время которых были зарегистрированы КМ ПИВ с относительной амплитудой 8к, превышающей 25%, на высоте, соответствующей Ат. Здесь 8к = = А(И)/ЩИ), где А(к) — абсолютная амплитуда волны на высоте к и ^к) — величина фоновой электронной плотности на данной высоте. Выбор сеансов наблюдений, в течение которых были зарегистрированы КМ ПИВ с большими значениями амплитуд вариаций N,(1), обеспечивал высокую точность оценки амплитуд осцилляций высот максимума и основания слоя — параметров, необходимых для оценки амплитуд осцилляций меридионального термосферного ветра. Всего таких сеансов оказалось 63 (5.4% от общего числа наблюдений). Эти сеансы были разделены на две группы в соответствии с минимальной величиной
Dst-индекса, имевшей место на временном интервале, начинающемся за несколько часов до начала сеанса наблюдений и оканчивающемся в конце сеанса. Общее число наблюдений с умеренной и большой геомагнитной активностью (Dst < —50 нТл) оказалось 26, при этом 12 ночей характеризовались большими геомагнитными бурями (Dst < —100 нТл); 37 наблюдений характеризовались низкой магнитной активностью (Dst > —50 нТл).
Типичные примеры поведения параметров /-области для таких ночей приведены на рисунках 1, 2. Квазипериодические КМ ПИВ, показанные на рис. 1, могут быть связаны с большой геомагнитной бурей с внезапным началом, имевшей место 31 августа 2005 г. Максимальное значение Dst-индекса достигло —131 нТл, и начало главной фазы пришлось на 14:00 UT (19:00 местного времени LT) [Pandey and Dubey, 2009]. Рисунок 1 показывает, что волновая активность в ионосферных параметрах началась около 21:00 LT, через два часа после начала главной фазы бури. Эта задержка является типичным временем распространения КМ ПИВ от зоны полярных сияний до средних широт (Hajkowicz, 1999). На рисунке 2 представлено поведение тех же параметров /-области в течение ночи с низкой геомагнитной активностью (Dst = —36). Верхние панели рисунков 1, 2 показывают сглаженные вариации плотности электронов Nh(t) на ряде фиксированных высот с расстоянием между соседними высотами 10 км. Нижняя кривая соответствует высоте 150 км, верхняя (жирная) кривая представляет вариации N(t) на высоте максимума области hmF. Для удаления из первичных данных высокочастотного шума была выполнена низкочастотная фильтрация с использованием скользящего окна шириной T = 30.
Рисунки 1, 2 (вторые панели сверху) показывают вариации hmF и hbotF. Вариации hmF и hbotFмо-гут быть вызваны вариациями зонального электрического поля или нейтрального меридионального ветра в F-области. Показано [Oliver et al., 2008], что на средних широтах влияние электрического поля на вариации hmFи hbotF мало, поэтому в дальнейшем мы рассматриваем только влияние меридионального ветра. В целях устранения тренда, вызванного суточным ходом меридионального ветра (направленного к экватору ночью), была выполнена высокочастотная фильтрация с использованием полинома второй степени. Отфильтрованные вариации hmF представлены на рисунках 1, 2 (третья панель сверху). Отфильтрованные вариации hbotF представлены на рисунках 1, 2 (нижняя панель).
АГВ на средних широтах имеют длину волны, превышающую ~1000 км. Для такой волны движения нейтрального газа на высотах F-области представляет собой горизонтальный ветер, дующий на юг вдоль меридиана при прохождении половины
N, м-3
h, км
hmF, км
hbotF-> км
Рис. 1. Сглаженные вариации параметров /-области в течение ночи с большой магнитной активностью: верхняя панель — электронная плотность N(1) на серии высот с расстоянием между соседними высотами 10 км; вторая сверху панель — высоты максимума /-области Нт/ и ее основания НЬо/; третья сверху панель — Нт/ с исключенным трендом; нижняя панель — Н^/ с исключенным трендом.
волны над точкой наблюдения, и на север — при прохождении последующей полуволны. Плазма в /-области ионосферы вовлекается в движение за счет столкновений нейтралов с ионами. Плазма в /-области замагничена и, следовательно, может двигаться только вдоль магнитных силовых линий. Это движение обусловлено компонентой нейтрального ветра, направленной вдоль магнитного поля. Нейтральный ветер, дующий по на-
правлению к экватору и полюсу, толкает плазму вдоль силовых линий магнитного поля вверх и вниз, соответственно, приводя к периодическим колебаниям высоты F-области. Millward et al. [1993] показали,
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.