УДК 550.383
ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ АМПЛИТУД КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ © 2013 г. А. Ф. Яковец, В. В. Водянников, Г. И. Гордиенко, Ю. Г. Литвинов
Институт ионосферы, АО Национальный центр космических исследований и технологий, Алматы, Казахстан
e-mail: artyak40@mail.ru Поступила в редакцию 14.11.2012 г.
После доработки 23.01.2013 г.
Проанализированы ночные высотные профили амплитуд крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (КМ ПИВ), полученные по данным вертикального зондирования в Алма-Ате (76°55' E, 43°15' N) за период 2000—2007 гг. Высотные профили получены из временных вариаций электронной плотности Nh(t) на серии высот /-области ионосферы с высотным шагом 10 км. Всего было проведено 1166 ночных наблюдений, из которых 581 ночь характеризовалась волновой активностью. Для анализа были выбраны ночи с максимальной амплитудой вариаций Nh(t), превышающей 25%. Общее число таких ночей составило 63, при этом КМ ПИВ наблюдались как в магнитоспокойные, так и магнитоактивные периоды. Получены регрессионные соотношения между высотой максимума области F и высотой, которой соответствовала максимальная абсолютная амплитуда волны, а также между значениями максимальной амплитуды на высотном профиле и значением амплитуды вариаций NmF(t) в максимуме слоя.
DOI: 10.7868/S0016794013050179
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (КМ ПИВ) вызываются атмосферными гравитационными волнами (АГВ), генерируемыми в полярных районах во время геомагнитных возмущений [Hunsucker, 1982], когда быстрое усиление авроральных электродже-тов приводит к нагреву атмосферы. Процесс быстрого расширения и последующего сжатия атмосферы генерирует АГВ, распространяющуюся к экватору и вызывающую появление КМ ПИВ на пути ее распространения. 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 [Yeh and Liu, 1974; Hunsukker, 1982; Hocke and Schlegel, 1996]. В работе [Tsugawa et al., 2004] на основе анализа данных GPS приемников показано, что существует заметная вероятность (28% от полного числа) наблюдения КМ ПИВ и при спокойных магнитных условиях (Кр < 3). Типичные параметры КМ ПИВ в /-области ионосферы представляют следующие величины: периоды занимают диапазон 40 мин — 3 ч; горизонтальные длины волн — 1000—3000 км; фазовые скорости — 400—1000 м/с. Значительное число работ посвящено измерению этих параметров при различных геомагнитной и солнечной активностях, однако работ, посвященных результатам измерения вы-
сотных профилей амплитуд, сравнительно немного [Федоренко и др., 2011; У^оу й а1., 2011; Бурмака и Черногор, 2012]. Важность этого параметра определяется тем, что он позволяет исследовать механизмы распространения АГВ на дальние расстояния. Например, Федоренко и др., [2011] в рамках концепции волноводного распространения АГВ по форме высотного профиля оценили высоту расположения волновода и эффективные размеры его поперечного сечения. Следует отметить заметные расхождения в экспериментальных данных, полученных разными авторами. Если в работах [У^оу й а1., 2011; Бурмака и Черногор, 2012] максимальная амплитуда возмущений наблюдалась вблизи 200 км, то в работе [Федоренко и др., 2011] по данным шестидневных наблюдений на харьковском радаре некогерентного рассеяния показано, что высоты, соответствующие максимальной амплитуде возмущений, распределены между 200 и 400 км. Расхождения результатов, полученных в этих работах, по-видимому, можно объяснить разной геомагнитной обстановкой, в которой проводились измерения. Наблюдения [У1а80У й а1., 2011; Бур-мака и Черногор, 2012] проводились при низкой геомагнитной активности, а часть сеансов наблюдений [Федоренко и др., 2011] совпала с очень большой магнитной бурей 8—10 ноября 2004 г. Поэтому изучение поведения высотных профилей амплитуд КМ ПИВ на временном интервале,
включающем все фазы солнечной активности и разные уровни геомагнитной возмущенности, представляет значительный интерес.
Настоящая работа посвящена анализу поведения высотных профилей амплитуд КМ ПИВ над ст. Алма-Ата в 2000—2007 гг., полученных во второй половине 23-го цикла солнечной активности в широком диапазоне изменения солнечной и геомагнитной активностей.
2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ, МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
Ночные наблюдения КМ ПИВ в /-области ионосферы проводятся в Институте ионосферы (Алма-Ата 76°55' Е, 43° 15' N на цифровом ионо-зонде "ПАРУС", сопряженном с компьютером, предназначенным для сбора, хранения и обработки ионограмм в цифровом виде. Информация, необходимая для расчетов разнообразных параметров КМ ПИВ, считывается с ионограмм полуавтоматическим методом. Зондирование ионосферы проводится каждые 5 мин. Длина ночных сеансов измерений изменяется в зависимости от сезона и составляет ~ 8—12 ч. С ионограмм считы-ваются значения действующих высот отражения И'(0 радиосигнала на ряде фиксированных рабочих частот зондирования и значения критических частот/о/. Дальнейшая обработка включает в себя расчет высотных распределений электронной плотности (Щ(И)-профилей) методом Титериджа [ТИкег1ё§е, 1985] и получение на их основе вариаций ряда параметров /-области (электронной плотности на фиксированных высотах ЩИ(0; плотности в максимуме слоя ЩтД?); высоты максимума слоя ИтР(1) и др.). Ионозонд обеспечивает точность считывания И'(0 ~ 2.5 км и точность считывания /о/~ 0.05 МГц. Выбор ночного периода суток для наблюдений был обусловлен тем, что КМ ПИВ с большими амплитудами вариаций ионосферных параметров на средних широтах наблюдаются в основном в ночное время [Иа]ко'ШС2, 1990; АзЪкаИеу е! а1., 2003; Карпачев и Деминова, 2004]. За период 2000—2007 гг. было проведено 1166 ночных наблюдений, при этом 581 ночь характеризовались волновой активностью [Яковец и др., 2011]. Вариации ЩИ(1) на серии высот И позволяли определять форму высотного профиля амплитуд А(И) с максимальной абсолютной амплитудой Ат. Для анализа мы выбрали сеансы наблюдений, во время которых были зарегистрированы КМ ПИВ с относительной амплитудой (8И), превышающей 25%, на высоте, соответствующей Ат. Здесь 8И = = А(И)/Щ(И), где А(И) — абсолютная амплитуда волны на высоте И и Щ(И) — величина невозмущенной электронной плотности на данной высоте. Выбор сеансов наблюдений, в течение кото-
рых были зарегистрированы КМ ПИВ с большими абсолютными и относительными значениями амплитуд, обеспечивал высокую точность построения высотных профилей амплитуд даже вблизи высот основания слоя, которые характеризуются малыми значениями А(И) и ЩИ). Всего таких сеансов оказалось 63 (5.4% от общего числа наблюдений). Эти сеансы были разделены на две группы в соответствии с максимальной величиной геомагнитных возмущений, имевших место во 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 пТ) оказалось 26, при этом 12 ночей характеризовались большими геомагнитными бурями (Dst < —100 пТ). 37 наблюдений характеризовались низкой магнитной активностью (Dst > —50 пТ).
На рисунке 1а, б представлены примеры вариаций электронной плотности для ночей 31 мая—1 июня 2001 г. и 30—31 августа 2004 г. на серии высот с расстоянием между соседними высотами 10 км для условий низкой (Dst = —12 пТ) и высокой (Dst = —129 пТ) геомагнитной активности соответственно. Нижняя кривая соответствует высоте основания слоя (И = 190 км). Верхняя (жирная) кривая соответствует вариациям ЩтР(1) в максимуме слоя Ит/. На рисунке представлены сглаженные вариации плотности с отфильтрованными высокочастотными флуктуациями. Для удаления из первичных данных высокочастотных составляющих как ионосферного происхождения, так и вызванных шумом, возникающим в процессе обработки данных, осуществлялась низкочастотная фильтрация рядов с применением скользящего окна длительностью Т = 30 мин. Вариации приведенные на рис. 1б, можно связать с большой магнитной бурей с внезапным началом, главная фаза которой началась в 04:00 иТ и закончилась в 23:00 иТ 30 августа 2004 г., когда Dst-индекс достиг значения —129 пТ Если полагать, что КМ ПИВ начались в ~22:00 ЬТ (17:00 иТ) и учесть, что обычное время распространения возмущений от полярных до средних широт составляет ~2—3 часа [Иишискег, 1982], то оказывается, что АГВ, приведшие к появлению КМ ПИВ, были сгенерированы вблизи середины главной фазы бури, когда Dst-индекс достиг —70 пТ. Вариации электронной плотности, представленные на рисунке, демонстрируют особенность, характерную для большинства сеансов, в которых наблюдались КМ ПИВ. Особенность заключается в том, что КМ ПИВ в вариациях ЩтД0 проявляются значительно слабее, чем в вариациях ЩИ(1) на фиксированных высотах, расположенных ниже высоты максимума слоя. Причины такой высотной зависимости реакции ионосферы на прохождение АГВ рассмотрены в работе [Яковец и др., 2008].
Время, ЬТ, ч
N¿(0, м-3 б
Время, ЬТ, ч
Рис. 1. Примеры вариаций электронной плотности N¿(0 для ночей 31 мая-1 июня 2001 г. и 30-31 августа 2004 г. на серии высот с расстоянием между соседними высотами 10 км для условий низкой (Dst = -12 пТ) (а) и высокой (Dst = -129 пТ) (б) геомагнитной активности соответственно.
На рисунке 2а, б представлены высотные профили абсолютных и относительных амплитуд возмущений 1, 2, рассчитанные из вариаций
N¿(0, помещенных на рис. 1а, б соответственно. Высотные профили амплитуд возмущений строились для каждой периодической волны, зафикси-
рованной в течение сеанса измерений. На рисунке 1а, б отчетливо видны по две волны, которые обозначены цифрами 1 и 2. В сеансе 31 мая-1 июня 2001 г. высота, соответствующая максимальной абсолютной амплитуде, как для волны 1, так и для волны 2, равна 240 км, при этом средняя высота максимума слоя составляла 280 км. В сеансе 30—31 августа 2004 г. высоты, соответствующие максимальной абсолютной амплитуде, как для волны 1, так и для волны 2, составляли 310—
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.