ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 94-100
УДК 550.388.2
ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА ЭКСТРЕМАЛЬНУЮ ВСПЫШКУ
28 ОКТЯБРЯ 2003 ГОДА © 2014 г. В. М. Смирнов, Е. В. Смирнова
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино (Московская обл.)
e-mail: vsmirnov@ire.rssi.ru Поступила в редакцию 14.11.2012 г. После доработки 01.04.2013 г.
Используя навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, выполнены одномоментные наблюдения влияния солнечной вспышки на ионосферу Земли северного и южного полушарий, включая полярную и экваториальную ионосферу. Показано, что скорость изменения полного электронного содержания хорошо согласуется с временным профилем солнечной вспышки. Получена экспериментальная зависимость градиента электронной концентрации от угла места наблюдения.
DOI: 10.7868/S0016794014010155
1. ВВЕДЕНИЕ
Солнечные вспышки приводят к существенному изменению параметров околоземного космического пространства. Они являются источником специфических эффектов и в ионосфере Земли, так как представляют собой внезапное и быстрое выделение огромной энергии в верхней хромосфере или нижней короне Солнца. Солнечные вспышки генерируют электромагнитное излучение в диапазоне длин волн: от X ~ 0.5—8 А до X ~ 1 м [Авакян и др., 1994]. Широкий спектр электромагнитного излучения приводит к сильным возмущениям в различных областях ионосферы Земли.
Во время вспышки Солнце представляет собой мощный источник рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Увеличение интенсивности ионизирующего излучения, наблюдаемого во время солнечных вспышек, немедленно вызывает возрастание электронной концентрации в ионосфере. При этом, изменение электронной концентрации в области Б и в нижней части области Е обусловлено увеличением рентгеновского излучения, в то время как в области Е — увеличением ультрафиолетового излучения [Митра, 1977; Брюнелли и Намгаладзе, 1988]. Поскольку интенсивность вспышки в различных спектральных участках изменяется со временем по-разному, можно определить эффект воздействия той или иной части спектра на состояние ионосферной плазмы. Рентгеновское излучение действует в течение всей вспышки (~1 ч), в то время как ультрафиолетовое излучение является кратковременным (~15 мин). О соотношении рентгеновского и ультрафиолетового излучений солнечных вспышек в ионизации Е-области ионосферы изложено в работе [Иванов-Холодный и др., 1976]. Большое
количество примеров солнечных вспышек и внезапных ионосферных возмущений, возникающих в этот период, приведено в книге [Митра, 1977].
Цель работы — оценить влияние солнечной вспышки на области ионосферы, находящиеся примерно в одном часовом поясе. Такие наблюдения стали возможны благодаря созданию глобальных спутниковых навигационных систем.
2. ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК
Интенсивность ультрафиолетового излучения достигает максимума за несколько минут до начала вспышки в линии излучения Ha [Митра, 1977]. Изменение во времени потока ультрафиолетового излучения имеет различный характер. Продолжительность небольших пиков, обусловленных излучениями отдельных спектральных линий, может составлять ~30 с. При этом время возрастания интенсивности потока всего ряда ультрафиолетового излучения достигает нескольких минут.
Солнечные вспышки не вносят существенного изменения в общий энергетический баланс излучения Солнца. Их мощность составляет не более 1017—10-15 полного потока энергии Солнца. Однако, они существенно изменяют ее спектральный состав — более чем в 700 раз возрастает поток рентгеновского излучения, увеличение ультрафиолетового излучения достигает десятков процентов [Митра, 1977]. Согласно работам [Donnelly, 1971; Афраймович и Перевалова, 2006], в солнечных вспышках можно выделить три компоненты: импульсную и две медленные компоненты, которые генерируются в разных областях солнечной атмосферы. В импульсной компоненте доминирует ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 90—1027 А, жесткое рентгеновское из-
лучение с длинами волн менее 1 Á и микроволновое излучение. Медленные компоненты солнечных вспышек характеризуются усилением мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 1—9 Á. Излучение в диапазоне 1—8 Á приводит к медленному росту электронной концентрации в нижней части ионосферы на высотах 60—90 км, в областях D и E. Рост фотоионизации на высотах от 100 до 130 км обусловлен рентгеновским излучением в диапазоне длин волн от 8 до 90 Á. На высотах /'-области ионосферы (200—400 км) увеличение фотоионизации обусловлено воздействием импульсного ультрафиолетового излучения.
Изменения электронной концентрации в ионосфере носят общее название — внезапные ионосферные возмущения (Sudden ionospheric disturbances — SID). Основная особенность SID заключается в том, что максимальный относительный рост электронной концентрации имеет место в D-области ионосферы и обусловлен воздействием мягкого рентгеновского излучения. В области максимума ионосферы (/-области) рост электронной концентрации, в зависимости от мощности солнечной вспышки, достигает 10—30%.
В настоящее время известно несколько видов внезапных ионосферных возмущений [Харгривс, 1982]. Временная последовательность различных эффектов солнечных вспышек показана на рис.1.
Названия на рис. 1 соответствуют следующим явлениям в ионосфере:
SPA — внезапная фазовая аномалия приводит к уменьшению высоты отражения; SEA — внезапное усиление атмосфериков приводит к усилению интенсивности; SCNA — внезапное поглощение космического радиошума; SFE — магнитный эффект солнечной вспышки приводит к увеличению ионосферной проводимости; SWF — коротковолновое затухание; SFD — внезапное отклонение частоты; SITEC — внезапное увеличение интегрального электронного содержания.
Проявление SITEC обусловлено развитием ионосферных исследований с помощью искусственных спутников Земли. Несмотря на то, что основное возрастание электронной концентрации происходит в D-области ионосферы, SITEC несет информацию об /-области, так как основной вклад в полное электронное содержание вносит область максимума электронной концентрации.
В дальнейшем мы будем рассматривать только изменение (точнее скорость изменения) электронного содержания, обусловленное ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями в зависимости от расположения пунктов наблюдения, находящихся, примерно, в одном часовом поясе.
0 5 10 15 20 25 30 35 мин
i-1-1-1-1-1-1-г
Рис. 1. Временная последовательность различных эффектов солнечных вспышек.
3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ НАБЛЮДЕНИЙ
В настоящее время навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС успешно используются для определения интегральных параметров ионосферы. Глобальность их наблюдения и достаточно обширная сеть наземных пунктов приема навигационных сигналов позволяют проводить мониторинг состояния ионосферы Земли одновременно в разных регионах земного шара, что дает возможность проанализировать влияние солнечных вспышек на разные области ионосферы. Рассмотрим влияние мощной солнечной вспышки, имевшей место 28 октября 2003 г. Она достаточно подробно освещена в литературе, см., например, работы [Белов и др., 2004; Веселов-ский и др.,2004; Смирнов и Смирнова, 2005]. На рисунке 2а, 2б показана интенсивность рентгеновского излучения в диапазоне 1—8 и 0.5—4 А, наблюдавшаяся 28 октября 2003 г. приборами, установленными на спутнике GEOS. Необычно сильное увеличение интенсивности рентгеновского излучения началось около 11 часов. Оно сопровождалось также и повышением интенсивности излучения в ультрафиолетовом диапазоне, что вызвало дополнительную ионизацию в области F ионосферы. Экспериментальные данные по интенсивности рентгеновского и ультрафиолетового излучений, полученные приборами спутника "Интеграл", приведены на рис. 2б. Здесь вертикальными линиями отмечены всплески, наблюдаемые в указанных диапазонах. В период времени с 11:00 до 11:10 хорошо видно 9 всплесков, зафиксированных как в рентгеновском, так и в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Показанные на рис. 2б данные свидетельствуют о на-
N, ед/с/см2 12.0
0.75-2 МэВ 2-6 МэВ
11.02 662
11.04
664
11.06 666
11.08 668
11.10 670
UT, ч UT, мин
123 4 5 6 7 8
0
10:58:21 11:00
£ Q
- 2
11:02 11:04
Время, UT
11:06
Рис. 2. Временные профили вспышки 28 октября 2003 г. по данным [Kurt, 2010] (а). Интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучений [Su, 2006] (б).
а
9
8
6
4
0
личии жесткой временной связи ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Временные профили вспышки 28 октября 2003 г. получены по данным прибора SONG спутника "Коронас-Ф". Максимальное энерговыделение этой вспышки по данным, приведенным в работах [Kurt et al., 2010; Su et al., 2006] было зарегистрировано в диапазоне 0.75—2 МэВ и 6—10.5 МэВ. Следует заметить, что в энергетическом диапазоне 0.75—2 МэВ наблюдалось 4 четко выраженных пика примерно одинаковой амплитуды. В диапазоне 6—22.5 МэВ наблюдалось два пика. Времена возникновения первых двух пиков во всех диапазонах совпадают.
Для определения параметров ионосферы использовались данные глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Геометрия расположения навигационных приемников представлена на рис. 3. Неравномерное расположение станций по широте вдоль меридиана не позволило добиться одинаковых условий наблюдений. Однако, это не мешает выполнить одномоментные наблюдения влияния солнечной вспышки на ионосферу Земли как северного, так и южного полушарий, включая полярную и экваториальную ионосферу.
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
Параметры ионосферы определялись методом радиопросвечивания по трассе спутник—Земля. Методические аспекты применения этого метода подробно изложены в работах [Андрианов и Смирнов, 1993; Смирнов, 2001]. Для определения параметров ионосферы использовались данные фазовых измерений.
Наиболее чувствительным к воздействию внешних факторов параметром ионосферы является скорость изменения полного электронного содержания или его приращение на наблюдаемом временном интервале. Для штатных IGS-станций временной интервал составляет, как правило, 30 с. Результаты расчета для некоторых станций, получен
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.