УДК 550.383
СРЕДНЕШИРОТНАЯ ЛЕТНЯЯ НОЧНАЯ АНОМАЛИЯ NmF2 ПО ДАННЫМ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В АЛМА-АТЕ © 2015 г. А. Ф. Яковец, Г. И. Гордиенко, Ю. Г. Литвинов
Институт ионосферы, АО "Национальный Центр космических исследований и технологий", Алматы
e-mail: artyak40@mail.ru Поступила в редакцию 16.03.2015 г.
По данным вертикального зондирования ионосферы над Алма-Атой за 1999, 2008, 2011 и 2012 гг. исследована морфология среднеширотной летней ночной аномалии в суточном ходе максимума электронной концентрации /2-слоя для разных сезонов и уровней солнечной активности. Показано, что наиболее отчетливо аномалия проявляется в летние месяцы июнь—август, и она исчезает в равноденственные месяцы март, сентябрь. Максимальное значение электронной концентрации приходится на зенитные углы Солнца, соответствующие прекращению поступления ионизирующего излучения на высоты максимума /2-слоя. Аномалия отчетливо проявляется в минимуме солнечной активности, и она практически не заметна в максимуме. Показано, что параметры летней аномалии на границе зоны Северо-Восточной Азии (Алма-Ата, 76°55' E) изменяются незначительно по сравнению с параметрами ее центра (Япония, 130° Е). Обсуждены механизмы образования аномалии, а также ее суточного и сезонного поведения.
DOI: 10.7868/S001679401505020X
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что летом суточные вариации электронной концентрации в максимуме среднеши-ротного /2-слоя ионосферы (NmF2) отклоняются от поведения, характерного для простого слоя, контролируемого потоком солнечной радиации. Впервые этот эффект был обнаружен над Антарктикой по данным наземного вертикального зондирования ионосферы [Penndorf, 1965]. Этот эффект получил название "аномалия моря Уэдделла" (WSA — Weddell Sea Anomaly). WSA характеризуется тем, что местным летом NmF2 в ночные часы превышает NmF2, наблюдаемую вблизи местного полудня.
Подобный эффект, вечернее повышение NmF2 в летние месяцы, был обнаружен и в северном полушарии [Rishbeth, 1968]. Первоначально оно никак не связывалось с WSA, так как между ними существуют определенные различия. Эти различия состоят в том, что у WSA пик электронной концентрации приходится на ночные часы ближе к полуночи, тогда как в северном полушарии пик приходится на часы около захода Солнца. Кроме того, аномалия северного полушария выражена слабее, чем WSA. Моделирование, проведенное Rishbeth [1968], позволило интерпретировать этот эффект, как результат позднего захода Солнца летом и направленного к экватору термо-сферного ветра, смещающего F2-слой на большие высоты в то время, когда еще происходит фотоионизация ионосферы.
Современные спутниковые технологии, включающие радиозатменный метод [Burns et al., 2008], измерения плотности плазмы in situ с борта спутника CHAMP [Liu et al., 2010], внешнее зондирование ионосферы [Деминов и Карпачев, 1988], измерение полного электронного содержания системой TOPEX/Poseidon [Horvath and Essex, 2003] позволили показать, что аномалии суточного поведения NmF2 носят глобальный характер. Аномалии суточного хода, наблюдаемые в северном и южном полушариях, получили общее название среднеширотной летней ночной аномалии (MSNA — midlatitude summer nighttime anomaly) [Lin et al., 2010].
Моделирование MSNA было проведено с использованием современных атмосферно-ионо-сферных моделей [Князева и др., 2010; Карпачёв и др., 2010; Thampi et al., 2011]. Анализ результатов измерений и моделирования представлял собой рассмотрение различных механизмов образования MSNA, включающих вертикальное перемещение слоя за счет термосферного меридионального и зонального ветра в существующей конфигурации геомагнитного поля, дрейф ионосферной плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях, вариации потоков плазмы из плазмосферы в ионосферу. Хотя каждый из этих механизмов вносит определенный вклад в создание MSNA, доминирующую роль в долготном распределении районов аномалии играет зависимость скорости вертикального дрейфа плазмы, вызванного меридиональным ветром, от на-
клонения геомагнитного поля. Максимальные амплитуды эффекта наблюдаются на долготах, соответствующих максимальному расстоянию геомагнитного экватора от географического. Для южного полушария эти долготы расположены вблизи 30° W (с максимальной амплитудой в области WSA), для северного полушария эти долготы расположены вблизи 135° E (аномалия Северо-Восточной Азии с максимальной амплитудой на долготах Японии и Охотского моря [Lin et al., 2010]).
Алма-Ата (76°55' E) находится на западной границе долготного сектора аномалии СевероВосточной Азии [Князева и др., 2010], поэтому изучение характеристик последней на этой долготе представляет значительный интерес. Настоящая работа посвящена анализу параметров MSNA над Алма-Атой, включающих их суточное поведение, сезонный ход, зависимость от солнечной активности. Данные получены по результатам вертикального зондирования ионосферы.
2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Наблюдения ионосферы проводятся в Институте ионосферы на цифровом ионозонде, сопряженном с компьютером, который предназначен для сбора, хранения и обработки ионограмм в цифровом виде. Информация считывается с ионограмм полуавтоматическим методом. Зондирование ионосферы осуществлялось в 15-минутном режиме. Первичная обработка ионограмм включает считывание значений критической частоты слоя F2 (foF2). Ионозонд обеспечивает точность считывания foF2 ~ 0.05 МГц. Критическая частота слоя (в МГц) связана с электронной концентрацией в максимуме слоя (NmF2), выражаемой количеством электронов в кубическом сантиметре, соотношением NmF2 = 1.24 х 104 foF2)2. Для анализа суточного поведения NmF2 в отдельные месяцы мы использовали ее медианные значения, принимая во внимание значительный день ото дня разброс NmF2 и то обстоятельство, что в отличие от среднего значения, медиана слабо реагирует на отдельные большие отклонения электронной концентрации.
Для анализа эволюции MSNA в зависимости от сезона мы построили суточное поведение электронной концентрации для марта, апреля, мая, июня—июля, августа и сентября 2011 г. (рис. 1). Точки представляют единичные измерения NmF2. Сплошной кривой изображена медиана, ход которой позволяет исключить заметный день ото дня разброс концентрации, вызванный различными возмущениями, обусловленными вариациями солнечного ионизирующего излучения, флуктуациями плотности и состава термосферы, а также источниками волновых процессов разно-
образной природы. Большая часть данных измерений электронной концентрации, проанализированных нами, была получена при низкой магнитной активности (Лй > —50 пТ). Результаты измерений, во время которых наблюдалась умеренная и большая магнитная активность (Бз1 < —50 пТ), были исключены из анализа. Среднемесячные значения потока радиоизлучения Солнца на волне 10.7 см для каждого месяца и рассчитанные для середины анализируемого месяца зенитные углы Солнца (х), соответствующие пикам вечернего максимума указаны на поле рисунка. Ано-
малия представляет собой эффект положительного отклонения в вечерние часы (~20:00 ЬТ летом) от гладкого суточного хода. Рассмотрим проявление аномалии, начиная с месяца весеннего равноденствия и заканчивая месяцем осеннего равноденствия. В марте (рис. 1а) суточное поведение медианы не обнаруживает выраженного вечернего пика. Он резко возникает в апреле (рис. 1б). В мае (рис. 1в) вечерний максимум ЫшЕ2 примерно такой же, как в апреле, а в июне—июле положительное отклонение в вечерние часы возрастает (рис. 1г). Большое положительное отклонение сохраняется и в августе (рис. 1д). В сентябре вечерний максимум практически не отличается от суточных флуктуаций медианы, обусловленных статистическим разбросом. Время, соответствующее вечернему максимуму (на рисунках оно указано вертикальными стрелками), принимало следующие значения: в апреле — 18:45 ЬТ в мае — 19:15 ЬТ в июне—июле — 20:15 ЬТ в августе — 19:30 ЬТ и в сентябре — 18:00 ЬТ. Из астрономических таблиц выбиралось время захода и скорость изменения зенитного угла Солнца, и были посчитаны зенитные углы х, соответствующие вечернему максимуму. Все зенитные углы соответствуют положению Солнца ниже математического горизонта, когда ионизирующая радиация практически переставала поступать на высоты ^2-слоя.
Зависимость параметров аномалии от солнечной активности можно проследить, обратившись к рисунку 2, где представлены данные зондирования в период летнего солнцестояния для низкой (2008 г.) (рис. 2а), средней (2012 г.) (рис. 2б) и высокой (1999 г.) (рис. 2в) солнечной активности. Из графиков следует, что максимальной солнечной активности соответствует минимальное проявление летней аномалии.
Далее мы сравнили полученные нами в 2008 г. результаты с результатами измерений, проведенных в Японии в июле 2008 г. в центре зоны аномалии Северо-Восточной Азии [ТИашр1 е! а1., 2011]. Эти измерения проводились радиозатменным методом, позволяющим получать профиль электронной концентрации, начиная с основания слоя и до высот, заметно превышающих высоту максимума слоя. Авторами было показано, что
а
б
Время (ЬТ), ч
Рис. 1. Суточный ход электронной концентрации в максимуме /2-слоя в марте (а); апреле (б); мае (в) 2011 г.
местное время, соответствующее пику ночного максимума, зависит от географической широты: время сдвигается к полуночи при увеличении широты. Для географической широты 45° N прак-
тически совпадающей с широтой Алма-Аты, это время оказалось равным 20:30, что совпадает со временем, полученным нами. Отклонение МшШ2 в вечерние часы от гладкого суточного хода были
г
Время (ЬТ), ч
д
Время (ЬТ), ч
е
Время (ЬТ), ч
Рис. 1 (Продолжение). Суточный ход электронной концентрации в максимуме /2-слоя в июне—июле (г); августе (д); сентябре (е) 2011 г.
также близки. Это говорит о том, что параметры тра (130° Е). Заметим, что мы проводили измере-аномалии на границе зоны (Алма-Ата, 76°55' Е) ния концентрации в максимуме /2-слоя, поэтому изменяются незначительно относительно ее цен- и сравнение параметров для разнесенных по дол-
7.0Е+005 6.0Е+005 5.0Е+005
§ 4.0Е+005 2,
| 3.0Е+005 >
2.0Е+005 1.0Е+005 0.0Е+005
1.4Е+
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.