научная статья по теме МОРФОЛОГИЯ И ПРИЧИНЫ АНОМАЛИИ МОРЯ УЭДДЕЛЛА Геофизика

Текст научной статьи на тему «МОРФОЛОГИЯ И ПРИЧИНЫ АНОМАЛИИ МОРЯ УЭДДЕЛЛА»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 6, с. 828-840

УДК 550.388.2

МОРФОЛОГИЯ И ПРИЧИНЫ АНОМАЛИИ МОРЯ УЭДДЕЛЛА © 2011 г. А. Т. Карпачев, Н. А. Гасилов, О. А. Карпачев

Учреждение РАН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова,

Троицк (Московская обл.) e-mail: karp@izmiran.ru Поступила в редакцию 14.04.2010 г.

После доработки 12.06.2010 г.

По данным спутника Интеркосмос-19 в южном полушарии выделена зона аномальных суточных вариаций foF2, которая характеризуется превышением ночных значенийfoF2 над дневными. В англоязычной литературе она обычно определяется как аномалия моря Уэдделла (Weddell sea anomaly, WSA). Аномалия наблюдается в условиях местного лета, т.е. в период зимнего солнцестояния. Аномалия занимает долготы западного полушария 180—360° E, широты 40—80° S, максимальный эффект (до ~5 МГц) наблюдается на долготах 255—315° E и широтах 60—70° S (50—55° ILAT). Аномалия наблюдается при всех уровнях солнечной активности. На основе расчетов и качественного анализа рассмотрены причины образования аномалии. Для этого детально проанализированы долготные вариации параметров ионосферы и термосферы в южном полушарии для околополуденных и околополуночных условий. Анализ показывает, что днем foF2 понижена в западном полушарии по сравнению с восточным, а ночью наоборот — сильно повышена, что и приводит к аномальным суточным вариациям foF2. Такой характер долготного эффекта определяется в основном вертикальным дрейфом плазмы под действием нейтрального ветра и солнечной ионизацией. Рассмотрены также и другие причины: состав и температура атмосферы, потоки из плазмосферы, электрические поля, высыпания частиц, связь с экваториальной аномалией и главным ионосферным провалом.

1. ВВЕДЕНИЕ

На ионосферных станциях Halley Bay (75.6° S, 333.4° E, 65.8° GMLAT) и Argentine Island (65.3° S, 295.7° E, 53.8° GMLAT) довольно давно было обнаружено аномальное поведение foF2 — во время декабрьского солнцестояния, т.е. в период местного лета, ночные значения превышают дневные [Bell-chambers and Piggott, 1958; Pendorf, 1965; Dungey, 1961; Clilverd et al., 1991]. По названию ближайшего моря этот эффект был назван "аномалия моря Уэдделла" (Weddell Sea Anomaly, WSA). Поскольку других ионосферных станций рядом нет, выделить зону аномалии и определить, насколько она связана с морем Уэдделла долгое время не представлялось возможным. Область, в которой при низкой солнечной активности в летнем южном полушарии ночью наблюдаются повышенные значения полного содержания электронов (ТЕС) была впервые определена в эксперименте TOPEX/Poseidon [Horvath and Essex, 2003]. Она оказалась значительно шире моря Уэдделла, так что авторы даже предлагали назвать явление "аномалия моря Беллинсгаузена". На самом деле эта область занимает очень широкий диапазон долгот от 200 до 300° Е и широт по крайней мере до 66° S. Максимальные значения ТЕС по данным TOPEX наблюдались в интервале долгот 250—270° Е и широт 50—60° S. Затем исследования характеристик WSA были продолжены по данным TOPEX/Poseidon для всех уровней солнечной активности и всех сезонов [Horvath, 2006; Jee et al.,

2009], по данным прямых измерений N1 на высоте спутника DMSP 850 км [Horvath and Lovell, 2009a], а также по данным затменных измерений на спутниках эксперимента COSMIC [Burns et al., 2008; Lin et al., 2009; He et al., 2009]. Было показано, что аномальные суточные вариации электронной концентрации наблюдаются в течение всего зимнего солнцестояния — с ноября по февраль. Максимального развития WSA достигает в околополуночные часы, аномально высокие значения Ne в области аномалии существуют до утра. WSA, по-видимому, более ярко выражена в минимуме солнечной активности, чем в максимуме. По 3-мерным данным COSMIC/ Formosat-3 для декабря 2007 г., т.е. для низкой солнечной активности, область повышенных значений Ne в южном летнем полушарии для 22 LT находилась в пределах 180—360° по долготе и 55—90° S по широте с максимумом около 270° E, 60° S [Lin et al., 2009]. Максимальные значения Ne достигались на высоте 300 км, отметим, однако, что это гораздо ниже максимума слоя F2 для рассматриваемых условий, как будет показано ниже по данным ИК-19. Таким образом, морфология WSA более или менее представлена по данным разных экспериментов, хотя эти данные зачастую противоречат друг другу и требуют дополнительной проверки. Сказанное относится ко всем вариациям в области аномалии — суточным, сезонным, в цикле солнечной активности, с высотой, долготой и широтой.

Гораздо хуже дело обстоит с пониманием механизма образования аномалии. Для объяснения WSA выдвигался целый ряд причин: ионизация солнечным излучением и ветер нейтральной атмосферы [Dudeney and Piggott, 1978], перенос плазмы с дневной стороны высокоширотной конвекцией [Pendorf, 1965], склонение, наклонение и расходимость силовых линий магнитного поля [Horvath and Essex, 2003; Horvath, 2006], большая разница между географическим и геомагнитным полюсами [Lin et al., 2009], горизонтальные потоки плазмы в области Южно-атлантической геомагнитной аномалии [Horvath and Lovell, 2009a], приток плазмы из плаз-мосферы [Burns et al., 2008], тесная связь с экваториальной аномалией [Burns et al., 2008; Lin et al.,

2009], высыпания частиц [Pavlov and Pavlova, 2007], электрические поля [Burns et al., 2009; Horvath, Lovell, 2009b]. Мало того, в работе [Horvath and Lovell, 2009a] главный ионосферный провал на долготах WSA наблюдался экваториальнее ее, так что аномалия, согласно [Pendorf, 1965], оказывается в области действия конвекции высокоширотной плазмы.

Такой большой список причин свидетельствует о том, что о единой, общепринятой точке зрения на формирование WSA пока говорить не приходится. Поэтому главной целью данной работы является анализ причин аномалии на основе количественных расчетов и качественных рассуждений, основанных на этих расчетах. Причины аномального поведения ионосферы будут исследованы при помощи аналитической модели ионосферы, на основе методики, разработанной в работе [Карпачев и др.,

2010]. Экспериментальной основой работы являются данные внешнего зондирования (NmF2 и hmF2) на спутнике Интеркосмос-19 (ИК-19). Данные за-тменных наблюдений на COSMIC в принципе позволяют определить параметры максимума слоя F2 [Burns et al., 2008]. Однако авторы работы потратили немало усилий на доказательство адекватности полученного распределения NmF2. Большой массив данных спутника ИК-19, полученный за последнее время, позволяет получать адекватное глобальное распределение NmF2 и hmF2 для любых условий, в том числе и для условий, при которых существует WSA. Однако они были получены для высокой солнечной активности, поэтому для проверки адекватности и для полноты картины будет проведено сравнение с данными, полученными для низкой солнечной активности на спутнике CHAMP

2. ОБЛАСТЬ АНОМАЛЬНЫХ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ЛЕТНЕМ ЮЖНОМ ПОЛУШАРИИ

На рисунке 1а приведено глобальное распределениеfoF2 в летнем южном полушарии, полученное по данным спутника ИК-19 в периоды зимних солнцестояний 1979/80 и 1980/81 г. с 15 ноября по

15 февраля. Они относятся к высокой солнечной активности (/10.7 = 170—230) и спокойным геомагнитным условиям (Кр < 3). Всего было использовано около 400 пролетов ИК-19 в южном полушарии, или 12.000 значений foF2. Данные довольно равномерно распределены по долготе и местному времени, так что на интервал местного времени 2 часа, для которого строились LT-карты, приходится около 1000 значений foF2. Распределение foF2 на рис. 1а построено для интервала местного времени 00—02 LT когда аномалия проявляется наиболее ярко. Основной особенностью распределения электронной концентрации на рис. 1а являются чрезвычайно высокие значенияfoF2 (до 12 МГц) на высоких широтах в долготном секторе 240—300°. Они главным образом и определяют наличие аномалии. Чтобы показать это, сравним распределение foF2 для послеполуночных часов на рис. 1а с распределением для околополуденных часов местного времени (11—13 LT) — рис. 1б. Из рис. 1б видно, что днем на высоких широтах в долготном секторе 240—300° значения foF2 не превышают 8 МГц, что на ~4 МГц ниже, чем ночью.

Распределение foF2 в области WSA для высокой солнечной активности по данным ИК-19 получено впервые, поскольку данные эксперимента COSMIC относятся к условиям низкой солнечной активности. Данные ИК-19 на рис. 1 и данные COSMIC, представленные в работах [Burns et al., 2008; Lin et al., 2009], сравнивать довольно трудно. Поэтому сравним данные ИК-19 с данными спутника CHAMP для низкой солнечной активности. CHAMP функционирует с 2000 г. до настоящего времени и его данные доступны в Интернет на сайте: http://op.gfz-potsdam.de/champ. CHAMP проводит измерения электронной концентрации на высоте 370 км, которая находится вблизи высоты максимума слоя F2 в ночных условиях. Эти измерения приводились к высоте слоя F2 по модели IRI [Bilitza and Reinisch, 2008], так что фактически мы опять же имеем дело с распределением NmF2 (foF2). Для сравнения с ИК-19 были отобраны данные, полученные на спутнике CHAMP с 22 декабря 2005 г. по 3 января 2006 г. Данные относятся к околополуночным (00—01 LT), спокойным (Кр < 3) условиям низкой солнечной активности (F107 = 85—95). Всего было использовано около 150-ти пролетов CHAMP, удовлетворяющих этим условиям. Распределение электронной концентрации, полученное для низкой солнечной активности представлено на рис. 1в. Для удобства сравнения оно представлено в терминах критической частоты слоя F2.

Как и следовало ожидать, сравнение рис. 1а и рис. 1в показывает, что средний уровень электронной концентрации при низкой солнечной активности намного меньше, чем при высокой солнечной активности. Однако основные характеристики глобального распределения электронной концентрации, несмотря на сильные различия в солнечной активности, практически идентичны. Это касается

а

IK-19, 00-02 LT

б

в

CHAMP, 00-01 LT

Долгота, град

Рис. 1. Глобальное распределение foF2 в летнем южном полушарии по данным ИК-19 для 00-02 LT (а) и 11-13 LT (б), а также

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