научная статья по теме СРАВНЕНИЕ ТРЕНДОВ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ F2, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗНЫМИ АВТОРАМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ ТРЕНДОВ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ F2, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗНЫМИ АВТОРАМИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 473-482

УДК 350.385

СРАВНЕНИЕ ТРЕНДОВ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ F2, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗНЫМИ АВТОРАМИ © 2015 г. А. Д. Данилов, А. В. Константинова

Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова Росгидромета, г. Москва e-mails: adanilov99@mail.ru; anna@tabulata.ru Поступила в редакцию 24.12.2014 г.

Проведено сопоставление результатов определения долговременных трендов foF2 и hmF2 в работах различных авторов. Анализируются причины расхождения абсолютных величин отрицательных трендов, получаемых разными исследователями. Сформулированы три основные причины: неправильный выбор длины ряда данных, используемых для нахождения трендов, и отсутствие учета суточных и сезонных вариаций трендов. На конкретных примерах рассматривается роль всех трех факторов, приводящих к занижению амплитуды отрицательных трендовfoF2 и hmF2.

DOI: 10.7868/S0016794015030050

1. ВВЕДЕНИЕ

Проблема долговременных изменений параметров термосферы и ионосферы хорошо известна. Мы отсылаем читателя к обзору одного из авторов [Данилов, 2012] и публикациям [Lastovi С ka,

2009; 2014; Lastovi С ka et al., 2012]. Причина указанных изменений лежит в общем охлаждении и оседании средней и верхней атмосферы из-за увеличения в атмосферном газе количества парниковых газов (прежде всего — СО2).

Долговременные тренды параметров ионосферных слоев Е и F1 получаются примерно одинаковыми у разных групп авторов и хорошо согласуются с концепцией охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы (см. [LastoviCka et al.,

2008; Lastovi С ka, 2009]). Что же касается параметров ионосферного слоя F2, foF2 и hmF2, то оценки их трендов значительно расходятся у разных групп исследователей. В недавних детальных исследованиях трендов foF2 и hmF2 [Bremer et al., 2012; Mielich and Bremer, 2013; Cnossen and Franz-ke, 2014] получены относительно низкие величины отрицательных трендов обоих параметров. В то же время, в серии недавних публикаций авторов [Данилов и Константинова, 2013а, б; Danilov and Konstantinova, 2013; Данилов и Константинова, 2015] были получены более высокие тренды какfoF2 (k(fo)), так и hmF2 (k(hm)). В ряде публикаций для конкретных станций (см. ниже параграф 3) также были получены более высокие амплитуды отрицательных трендов параметров слоя F 2.

Мы поставили своей целью проанализировать природу указанных расхождений и сформулировали три основные причины этих расхождений. Первая причина — выбор длины ряда данных, ис-

пользуемых для выделения трендов, — потребовала отдельной публикации [Константинова и Данилов, 2015]. Здесь мы лишь кратко повторяем основной результат анализа, проведенного в указанной публикации, и подробно обсуждаем две других причины указанных расхождений. Это — отсутствие в большинстве работ учета суточных вариаций трендов и их изменения с сезоном.

2. КРАТКАЯ СВОДКА НАШИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

В серии публикаций авторов [Данилов и Константинова, 2013а, б; Danilov and Konstantinova, 2013] были подробно рассмотрены долговременные тренды foF2 и hmF2. Для анализа были использованы данные различных банков ионосферных данных и проведена их "очистка" от заведомо ошибочных значений. За деталями мы отсылаем читателей к указанным публикациям. Рассматривались два момента местного времени (14:00 LT и момент SS + 2 через два часа после захода Солнца) и два периода года (январь—февраль и июнь—июль). Основной результат указанных работ приведен в табл. 1 и 2. В данной работе мы не будем касаться трендов, полученных для специфического момента SS + 2, а будем обсуждать величины k(fo) и k(hm), полученные в указанных работах для 14:00 LT.

В недавней работе Данилова и Константиновой [2015] были подробно проанализированы вариации трендов foF2 (k(fo)) с сезоном и местным временем. Было получено, что для всех исследованных станций наблюдается одна и та же картина. В суточном ходе наибольшие величины отрицательных трендов наблюдаются в районе полудня (10:00-16:00 LT). В течение года k(fo) изменяются от небольших и статистически мало

Таблица 1. Тренды/оЕ2 в МГц/год для 12-ти станций и 4-х ситуаций согласно Данилову и Константиновой [2013а]

Станция Лето SS + 2 Лето 14:00 LT Зима SS + 2 Зима 14:00 LT

Boulder -0.014 -0.015 -0.053 -0.046

Rome -0.041 -0.011 -0.079 -0.072

Juliusruh -0.014 -0.017 -0.051 -0.025

Slough -0.020 -0.022 -0.039 -0.029

Москва -0.023 -0.019 -0.041 -0.101

Ташкент -0.033 -0.060 -0.053 -0.092

Wallops -0.054 -0.007 -0.064 -0.027

Ebre -0.014 -0.020 -0.031 -0.076

Grahamstown -0.030 -0.025 Нет тренда -0.011

Hobart -0.032 Нет тренда -0.029 -0.015

Townsville -0.053 -0.086 -0.011 -0.006

Томск -0.038 -0.030 -0.051 -0.025

Средний тренд и SD -0.027 -0.021 -0.050 -0.054

0.013 0.014 -0.014 0.032

значимых величин, лежащих в пределах ±0.010 МГц в год в летний период до значений от —0.04 до —0.07 МГц в год зимой и ранней весной. Примеры зависимостей к(/о) от месяца года и местного времени, взятые из работы Данилова и Константиновой [2015], приведены на рис. 1 и 2. Как будет показано ниже, существование выраженного суточного и сезонного хода величин к(/о) очень важно для объяснения различия трендов /о/2, получаемых различными группами авторов.

Таблица 2. Усредненные значения трендов кш¥2 для 10 станций для дневных и послезаходных условий лета и зимы

Станция - k, км/год а, км

Slough 2.5 (1.4) 2.00 (0.20)

Juliusruh 1.1 0.52

Москва 3.0 1.35

Томск 1.7 0.35

Wallops 2.9 1.75

Ташкент 2.4 1.13

Norfolk 0.9 0.39

Grahamstown 2.1 0.84

Hobart 1.3 0.39

Point Arguello 2.2 2.58

14:00 LT 2.5 1.73

SS + 2 1.9 1.05

Зима 2.1 1.16

Лето 2.3 1.68

3. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ДРУГИХ АВТОРОВ

Подробный обзор многочисленных публикаций по трендам параметров слоя F2, опубликованных за последние 20 лет, выходит за пределы данной статьи. Мы отсылаем читателей к обзору одного из авторов данной статьи [Данилов, 2012],

к серии статей Я. Ластовички [LastoviСka, 2009;

Lastovi С ka et al., 2012], а также к работе [Bremer et al., 2012]. Мы сравним результаты наших определений трендов foF2 и hmF2 с относительно недавними результатами других авторов и обсудим возможные причины различий в получаемых трендах.

Следует начать с недавних работ [Bremer et al., 2012; Mielich and Bremer, 2013], где детально исследуются тренды foF2 и hmF2 за весь период наблюдений на каждой станции. Исходными являются данные по foF2 и М(3000), собранные в банке данных [Damboldt and Suessmann, 2012]. Величины hmF2 пересчитывались из величин М(3000), используя известный метод Shimazaki [1955]. Для исключения зависимости обоих параметров слоя F2 от солнечной и геомагнитной активности используются два метода: регрессионный и модельный. В регрессионном методе анализируемый параметр X (foF2 или hmF2) для всего имеющегося для данной станции массива данных представляется в виде

Х(теор) = A +BR + CAp,

где R - число солнечных пятен, Ар - индекс геомагнитной активности, а А, В и С константы. Затем вычисляется разница АХ = Х(экс) — Х(теор),

к, МГц в год

0 4 8 12 16 20 24

LT

Рис. 1. Зависимость тренда к от местного времени в феврале для четырех станций согласно Данилову и Константиновой [2015]: Juliusruh (кружки), Rome (ромбы), Slough (треугольники) и Boulder (квадраты).

к, МГц/год

0 - 10:00-16:00 LT / . *г / / ' /' / 1' \ 4 А /

-0.02 - ♦ £ ' L /•♦

-0.04 - / /' / и ♦ f 4 \ 1 А А» ' ' VI ' 1 \ ' ' \ \ 1 1 ^ j • I /!г • тч 4 \ \ 47 г/

-0.06 -

2 4 6 8 10 12

Месяцы года

Рис. 2. Зависимость тренда к от месяца года для 10:00—16:00 LT для трех станций согласно Данилову и Константиновой [2015]: Juliusruh (кружки), Rome (ромбы) и Slough (треугольники).

где Х(экс) - наблюдаемая величина анализируемого параметра для конкретных условий.

Величина АХ рассматривается затем как сумма:

АХ = D + E год,

где D - константа, а Е - искомый тренд в МГц/год для foF2 и в км/год для hmF2.

В модельном методе величины Х(теор) находятся не в результате анализа массива измерений, а на основании эмпирической модели [ITU, 2009], учитывающей зависимость анализируемых параметров от солнечной и магнитной активности. Дальнейшая процедура нахождения тренда в модельном методе полностью аналогична процедуре в регрессионном методе, описанной выше.

В работе [Bremer et al., 2012] показано, что результаты анализа слабо зависят от выбора того или другого метода. Коэффициент корреляции между трендами foF2, полученными двумя методами, равен 0.89. Соответствующий коэффициент корреляции в случае hmF2 равен 0.94. Авторы признали различие межу трендами, получаемыми двумя методами, незначимым. Небольшое отличие, по их мнению, может быть связано с недостаточным учетом влияния магнитной активности в модели ITU, использованной в модельном методе.

Сравнивая результаты, полученные обоими методами при использовании индексов R и F 10.7 в качестве показателей солнечной активности, авторы работы [Bremer et al., 2012] пришли к выводу, что индекс F10.7 дает более надежные результаты, особенно для периода после 2000 г.

Отметим, чтобы вернуться к этому вопросу ниже, что для каждой ионосферной станции анализируются совместно данные за все часы суток и все месяцы. При этом рассматриваются данные, имеющиеся на данной станции, за весь период наблюдений. Всего рассмотрены данные 37-ми ионосферных станций в работе [Bremer et al., 2012] и 113-ти станций в работе [Mielich and Bremer, 2013].

Результаты, полученные в работах [Bremer et al., 2012; Mielich and Bremer, 2013], можно просуммировать следующим образом. Глобальные тренды hmF2 значимы статистически и лежат в пределах от -0.12 до -0.17 км в год. Средние глобальные тренды foF2 малы и незначительно отличаются от нуля, если используются все годы. При исключении данных за 2001 и 2009 гг. (когда, по мнению авторов, величины солнечных индексов плохо описывают изменение солнечного УФ излучения) получаются статистически значимые, но небольшие тренды от -0.0028 до -0.0002 МГц в год.

Международной группой исследователей под

руководством Я. Ластовички [LastoviСka et al., 2006], был проведен коллективный эксперимент по определению трендов foF2 разными методами на основании одног

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