научная статья по теме ИОНОСФЕРА КАК ПРИРОДНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНОГО ГЕОЭФФЕКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИОНОСФЕРА КАК ПРИРОДНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНОГО ГЕОЭФФЕКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 779-786

УДК 523.9-739-355:550.38

ИОНОСФЕРА КАК ПРИРОДНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНОГО ГЕОЭФФЕКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2004 г. А. А. Нусинов

Институт прикладной геофизики Росгидромета, Москва e-mail: nusinov@mail.ru Поступила в редакцию 13.01.2004 г.

Предложен метод определения потоков солнечного крайнего ультрафиолетового излучения (КУФ) по данным измерений критических частот слоя E и расчетов ионосферного индекса активности. Погрешность определения потока излучения составляет ~7%, что позволяет исследовать долговременные вариации КУФ-излучения и расширить временной диапазон исследований. Использование ионосферного индекса указывает на отсутствие заметных трендов КУФ-излучения в период 1957-2003 гг.

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование изменений климата на Земле приводит к выводу, что солнечная активность оказывает значительное влияние на климат (см., например, [Башкирцев и Машнич, 2003] и цитируемую там литературу). Современное изучение глобального потепления приводит к противоположным заключениям: наблюдаемое изменение климата либо связано с антропогенным влиянием на атмосферу Земли, либо с рядом факторов космического происхождения - прежде всего, изменений светимости Солнца. В то же время, вопрос о росте потоков излучения Солнца в течение последнего столетия или двух столетий достаточно противоречив. Еще более противоречивы прогнозы дальнейшей эволюции уровня солнечной активности.

Согласно [Дергачев и Распопов, 2000], наложение 90-летнего и 210-летнего циклов активности должно привести после 2000-го года к дальнейшему росту солнечной активности и, соответственно, росту температуры атмосферы. С другой стороны, изучение поведения солнечной активности в последнее время приводит к выводу о том, что влияние векового цикла приведет к снижению уровня солнечной активности, по крайней мере, в трех последующих солнечных циклах. В частности, прогнозируемые значения чисел Вольфа составляют ~85-95 [Duhau, 2003; Sello, 2003]. При этом правило Гневышева-Оля (превышение максимального уровня солнечной активности в нечетном солнечном цикле над соответствующим уровнем предыдущего цикла), возможно, должно быть нарушено как в 22-23-циклах активности, так и в 24-25 циклах. [Duhau, 2003]. В результате становится очевидной необходимость прямого исследования трендов не индексов активности, а

солнечного излучения. Масштабы многолетних изменений солнечного излучения в видимой области невелики (~0.1%) и обнаружение их трендов в современных экспериментах проблематично вследствие того, что вариации практически лежат в пределах погрешности аппаратуры. Ярче всего тренды должны быть выражены в наиболее изменчивой коротковолновой части спектра. Ясно, что при анализе трендов излучения в этой области спектра необходимо изучение длительных временных рядов. Из-за поглощения крайнего ультрафиолетового излучения КУФ в верхней атмосфере эти данные могут быть получены только при внеатмосферных измерениях. К настоящему времени существует большое количество измерений КУФ на ракетах и спутниках. Однако формирование на их основе длительных рядов затруднено вследствие различий измерительных приборов, методов их калибровки и условий измерений.

На рис. 1 приведен пример вариаций потока излучения в линии Лайман-альфа (121.6 нм) в разные эпохи по измерениям на ИСЗ "AEE", "UARS", "SME". Видно, что потоки излучения в максимуме 21-го цикла существенно выше, чем в 22-м (большем по индексу F10.7), а вблизи минимумов активности потоки отличаются почти на 50%. Такие различия в потоках КУФ-излучения могут указывать на значительный положительный тренд в его изменениях и должны были бы привести к радикальным различиям состояния ионосферы и верхней атмосферы в эти периоды, что не было отмечено. Можно предполагать, что они обусловлены различиями в калибровке спектрометров, использовавшихся в наблюдениях, и изменением их метрологических характеристик в условиях эксплуатации в космическом пространстве, поскольку калибровка чрезвычайно сложна и тре-

/, 1011см-2 с-1 10г

43000 44000 45000 46000 47000 48000 49000 50000 51000

MJD

Рис. 1. Вариации потока в линии Ьа по данным измерений на трех ИСЗ в 21-22 циклах солнечной активности. Время -в модифицированных Юлианских днях.

бует уникального оборудования. Следует подчеркнуть, что большие различия между наборами данных существуют приблизительно при одних и тех же условиях на Солнце по "традиционным" индексам активности - числам пятен и потоку радиоизлучения на 10.7 см - ^107.

В связи с этим возникает проблема создания независимого метода определения потоков ультрафиолетового излучения с точностью, достаточной для выявления трендов излучения, стабильного в течение длительных измерений, пригодного для взаимной калибровки измерений на борту ИСЗ, выполненных в различные эпохи и различными приборами. Ниже рассматривается один из вариантов такого метода, основанные на измерениях критических частот ¿-слоя.

Целью данной работы является разработка нового индекса солнечной активности, позволяющего проводить независимую оценку потоков КУФ-излучения и калибровку измерений крайнего ультрафиолетового излучения, используя параметры ¿-слоя ионосферы как данные о глобальном природном детекторе КУФ-излучения.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ¿-СЛОЯ ИОНОСФЕРЫ КАК ЕСТЕСТВЕННОГО ИНДИКАТОРА ГЕОЭФФЕКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

При использовании детектора для долговременного мониторинга любой физической величины неизбежно возникает вопрос о стабильности работы этого детектора и, соответственно, однородности временного ряда. В связи с этим рассмотрим физические основы использования данных о критических частотах ¿-слоя ионосферы для

получения информации о потоках КУФ-излучения Солнца. Использование мониторинга параметров £-слоя для определения временных вариаций ультрафиолетового излучения обсуждалось еще в работе [Beynon, Brown, 1959]. Однако параметры слоя могут, в принципе, существенно изменяться при изменении условий в верхней атмосфере. Например, в работах [Гивишвили и Лещенко, 2003; Деминов и др., 2003] указывается на существование систематических трендов в верхней атмосфере на высотах E-области (100-120 км). Долговременные изменения температуры и плотности атмосферы могут влиять на параметры ионосферы, маскируя или, наоборот, усиливая данные о трендах ультрафиолетового излучения. Поэтому при использовании данных о E-слое для характеристики солнечной активности необходимо ясное представление о возможных источниках ошибок. Качественное рассмотрение может быть проведено на основе теории простого слоя.

В соответствии с теорией простого слоя, при ионизации однокомпонентной атмосферы с экспоненциальным распределением концентрации газа по высоте монохроматическим излучением скорость ионизации в максимуме слоя qm имеет вид:

_ I с' cosх _ H С e '

(1)

где I - поток излучения за пределами атмосферы; H - шкала высот; х - зенитный угол Солнца; са и с' - соответственно сечения поглощения и ионизации газа. При учете сферичности атмосферы функцию cos х заменяют на функцию Чепмена Ch х [Ришбет и Гарри от, 1975]. Шкала высот H выражается через параметры атмосферы:

m

q

H =

kT mg'

(2)

где к - постоянная Больцмана; т - масса молекул атмосферы; Т - температура в К и g - ускорение свободного падения.

В Е-области процесс нейтрализации образовавшихся электрон-ионных пар в стационарном случае следует квадратичному закону:

m 2

q = ane,

(3)

ne = 1.24 x 104(foE)2,

(4)

I = 1.54 x 108 a( foE)4—-cos Xo'

(5)

ляет ~80-90% от коэффициента рекомбинации N0+ [Иванов-Холодный и Нусинов, 1979) и может быть оценен по формуле:

a = 4 x 10-7( 300/T), см3 с-1,

(6)

где а - эффективный коэффициент рекомбинации; пе - электронная концентрация. Поскольку пе и критическая частота /оЕ слоя Е связаны соотношением

где/оЕ - в МГц, пе - в см 3, из (1-4) следует можно получить поток излучения в виде:

Из (5) видно, что поток излучения, ответственного за ионизацию в максимуме E-слоя, может быть определен путем измерения критической частоты E-слоя.

В принципе, уже из формулы (5) могут быть получены оценки потоков излучения, формирующего слой E. Известно, [Иванов-Холодный и Нусинов, 1979] что ионообразование в E-области вызывается преимущественно двумя близкими спектральными линиями C III (длина волны X = = 97.7 нм) и H Lyman - ß (X = 102.6 нм). Эти линии ионизуют только молекулярный кислород верхней атмосферы Земли и поглощаются также практически только молекулярным кислородом. Сечения поглощения и ионизации для них имеют (см., например, [Иванов-Холодный и Никольский, 1969], следующие величины. Для линии 97.7 нм оа = 40 x 10-19 см2, = 24.7 x 10-19 см2, для линии 102.6 нм -а = 15 x 10-19 см2, = 9.7 x 10-19 см2.

Отсюда видно, что входящее в (5) отношение —/о' близко к величине 1.6 для обеих линий. Поскольку высоты, на которых происходит ионизация, отличаются незначительно, можно формально считать, что ионизация происходит за счет воздействия на атмосферу излучения одной линии и оценить из (5) ее интенсивность.

На высотах максимума E-слоя (~110 км) температура T изменяется в небольших пределах и для типичных условий T = 220-250 К [Hedin, 1987]. Шкала высот O2, рассчитанная из (2), составляет при таких температурах H ~ 6 км. Коэффициент рекомбинации в E-слое определяется в основном рекомбинацией ионов NO+, в которые преобразуются ионы молекулярного кислорода. При этом эффективный коэффициент рекомбинации состав-

что дает на высоте максимума E-слоя значение а ~ 5 х 10-7 см3 с-1.

Тогда оценки по (5) дают суммарный поток в линиях C III и Hp: I ~ 3 х 1010 см 2 с-1, что близко к значениям, наблюдаемым при среднем уровне солнечной активности I ~ 2 х 1010 см2 с-1 [Hinterregger et al., 1981].

Таким образом, оценки, основанные на сравнительно простых представлениях о формировании E-слоя, позволяют получить не только качественную зависимость между критической частотой E-слоя и потоками солнечного излучения, ответственными за его формирование, но и оценить с точностью до десятков процентов и

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