научная статья по теме ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ C И M КЛАССОВ В ЯНВАРЕ–ФЕВРАЛЕ 2010 Г Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ C И M КЛАССОВ В ЯНВАРЕ–ФЕВРАЛЕ 2010 Г»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 2, с. 125-135

УДК 550.388.2

ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ С И М КЛАССОВ

В ЯНВАРЕ-ФЕВРАЛЕ 2010 г.

© 2013 г. Ю. В. Ясюкевич1, С. В. Воейков1, И. В. Живетьев2, Е. А. Косогоров1

Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 2Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, г. Иркутск

yasukevich@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 07.06.2012 г.

Анализируется отклик ионосферы на солнечные вспышки в начале подъема солнечной активности, когда фоновая ионизация ионосферы еще достаточно низка. Показано, что алгоритмы и методы усреднения вариаций и производной полного электронного содержания (ПЭС) по всей освещенной ионосфере практически всегда позволяют идентифицировать отклик ионосферы даже на достаточно близкие по времени слабые солнечные вспышки С-класса. Обнаружено, что отклик на достаточно интенсивную в рентгеновском диапазоне солнечную вспышку может практически не проявиться, что обусловлено отсутствием проявления вспышки в ультрафиолетовой части спектра. Для вспышки М6.4 (7.11.2010) построена карта производной ПЭС на территории Японии со средним разрешением ~18 км. До максимума вспышки производные ПЭС синхронно увеличиваются по всей Японии, после максимума вспышки значения производной ПЭС меняются не так синхронно и проявляются локальные отличия.

DOI: 10.7868/S002342061301010X

1. ВВЕДЕНИЕ

Солнечная активность существенно влияет на состояние атмосферы Земли и тем самым оказывает влияние на различные сферы деятельности человека. Наиболее резкие вариации ионизующей радиации в околоземном космическом пространстве возникают в период солнечных вспышек. Вспышка на Солнце представляет собой внезапное быстрое выделение энергии в верхней хромосфере или нижней короне. Основной источник ионизации в первые часы после вспышки — это ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское (X-ray) излучение Солнца [1]. Рентгеновское излучение поглощается в верхней части области D на высотах 85—100 км, а ультрафиолетовое излучение — в области 120—200 км.

Мощность вспышек определяют по интенсивности рентгеновского излучения, производимого ими в максимуме вспышки [2]. Выделяют 3 основных класса вспышек, оказывающих заметное воздействие на состояние околоземного космического пространства:

— наиболее сильные солнечные вспышки -вспышки рентгеновского класса X (>10-4 Вт/м2);

— вспышки M-класса (10-5—10-4 Вт/м2);

— слабые вспышки С-класса (10—6—10—5 Вт/м2);

В настоящее время классификация солнечных вспышек осуществляется по данным наблюдений

нескольких искусственных спутников Земли, главным образом по данным спутников GOES.

Исследования ионосферного отклика на солнечные вспышки различными методами ведутся с середины прошлого столетия. Хорошие обзоры этих исследований сделаны А. Митрой [3] и К. Дэ-висом [4]. Основная особенность ионосферного отклика на солнечную вспышку заключается в том, что максимальное относительное увеличение электронной концентрации (на порядок и более) имеет место в D-области ионосферы, в Е-области это увеличение составляет от 50% до 200%, в F-области — от 10% до 30%. Установлено также, что солнечные вспышки приводят к целому ряду явлений: замирания коротких радиоволн (short wave fadeout, SWF); внезапное усиление атмосфериков на ОНЧ и НЧ (sudden enhancement of atmospherics, SEA); внезапное поглощение космических шумов (sudden cosmic noise absorption, SCNA); внезапные фазовые аномалии радиосигналов (sudden phase anomalies, SPA); внезапные девиации частоты (sudden frequency deviations, SFD). Разные типы проявлений эффектов солнечной вспышки связаны с увеличением концентрации электронов на разных высотах.

В связи с тем, что электронная концентрация в слоях значительно отличается, вклад различных слоев в интегральную величину полного электронного содержания (ПЭС) также будет отличаться [5]. Для мощных вспышек в [5] было полу-

чено, что область ионосферы, лежащая ниже 100 км вносит ~20%, слой E - ~5%, слой F1 (140-200 км) -~30%, область выше 300 км--30%.

Наблюдавшийся в 2007-2009 гг. затянувшийся минимум цикла солнечной активности в 2010 г. начал сменяться некоторым повышением активности Солнца. Только за один день 8.11.2010 г. на Солнце зарегистрировано 22 вспышки, из которых 4 имеют класс М. 13.1.2010 г. было зарегистрировано 13 солнечных вспышек, из которых 4 имеют класс М, 19.I.2010 г. - 7 вспышек, 2 класса М. В настоящей работе исследуется отклик ионосферы на солнечные вспышки класса М, зарегистрированные 19.I, 8.II и 12.11.2010 г. Кроме того, анализируется возможность выделения отклика ионосферы на достаточно близкие по времени и при этом достаточно слабые вспышки на примере событий, имевших место 8.11.2010 г.

Исследование основано на использовании данных спутниковой системы GPS (Global Position System), которая позволяет получать значение полного электронного содержания (ПЭС) на луче "приемник-спутник GPS" [6]. В работе используются данные навигационных приемников глобальной сети IGS [7] и региональной сети GEONET в Японии. Для временной привязки откликов ПЭС ко времени солнечной вспышки использовались 2-секундные данные потока рентгеновского радиоизлучения Солнца на длине волны 0.1-0.8 нм полученные с помощью спутника GOES-14 (http://satdat.ngdc.noaa.gov/), а также использовались 15-секундные данные потока ультрафиолетового излучения Солнца на длине волны 26-34 нм полученные с помощью спутника SOHO (http://www.usc.edu/dept/space_science/ semdatafolder/semdownload.htm). В работе используется шкала всемирного времени (Universal Time - UT).

2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Методика восстановления наклонного ПЭС по данным двухчастотных приемников GPS в достаточной степени разработана и описана в ряде источников [6, 8]. Принятая в литературе единица измерения ПЭС - TECU = 1016 м-2. ПЭС вдоль луча зрения из точки приема на навигационный спутник по фазовым измерениям определяется как:

I = —--[1 - L2X2) + K + nL], (1)

40.308 /2 - /2nv 1 1 2 ' J

где f1, f2 - рабочие частоты спутниковой системы GPS; Z1^1, L2X2 - дополнительные пути радиосигналов, обусловленные фазовым запаздыванием в ионосфере, м; L1, L2 - число полных оборотов фазы на рабочих частотах GPS; Х2 - длины волн, м; K - постоянная величина, определяемая

неоднозначностью фазы; nL - погрешности определения фазового пути.

Если ошибка определения абсолютного ПЭС по групповому запаздыванию может достигать 30-50% (а в отдельных случаях до 100%) [9], то ошибка определения вариаций ПЭС по фазовым измерениям с использованием формулы (1) составляет менее 0.1% по отношению к фоновой концентрации, однако при этом не известно абсолютное значение ПЭС.

Методика использования данных GPS для исследования солнечных вспышек была разработана в работах Э.Л. Афраймовича [5, 6, 10-12]. Для этой цели используется усреднение измерений ПЭС по большому числу станций GPS, регистрирующих одновременно несколько спутников GPS. Данный метод применяется при изучении эффектов быстрого непродолжительного изменения электронной концентрации в ионосфере, происходящего одновременно на большом участке земной поверхности под воздействием глобального импульсного источника ионизации. Отклик ионосферы на возмущение является практически одновременным для всех анализируемых станций (в пределах временного разрешения GPS-приемников). При усреднении рядов ПЭС амплитуда шумовых флуктуаций ПЭС уменьшается, т.к. фоновые колебания ПЭС на расстояниях, превышающих характерный размер пространственного радиуса корреляции, независимы, и при суммировании такие колебания гасят друг друга. Для возмущений с периодами 2-60 мин радиус пространственной корреляции фоновых возмущений составляет ~500—1000 км. В то же время область воздействия солнечной вспышки, вся освещенная ионосфера, значительно превосходит область, где фоновые флуктуации могут быть когерентны.

Использованный алгоритм является аналогом алгоритма когерентного накопления сигнала. При суммировании амплитуда отклика ПЭС на глобальный импульсный источник ионизации увеличивается, поскольку это возмущение происходит квазисинхронно на всех станциях и лучах на освещенной стороне Земли. Вследствие статистической независимости фоновых флуктуаций происходит линейное увеличение дисперсии. При этом чувствительность детектирования отклика

увеличивается в -\N раз (где N - число независимых измерений) и дает возможность анализировать слабые одновременные события, не заметные на индивидуальных зависимостях ПЭС. Даже для 100-200 лучей "приемник-спутник GPS" (~25-50 приемников), на которых регистрируется возмущение ПЭС, чувствительность детектирования увеличивается в 10-15 раз. Для региона Японии число лучей "приемник-спутник GPS" может достигать 5000, а соответственное увеличение

чувствительности относительно фоновых флукту-аций до 70 раз.

При анализе используется следующая последовательность процедур обработки данных. Первичными данными являются ряды "наклонного" значения ПЭС IS(t), а также соответствующие им ряды угла места 9S(t) и азимута aS(t) луча "приемник—спутник GPS". На основании координат приемной станции, а также угла места и азимута луча, соответствующих моменту максимума вспышки, рассчитываются координаты подионо-сферной точки [6]. После чего, отбираются пары "приемник—спутник GPS", для которых угол места Солнца в подионосферной точке в момент максимума вспышки превышает заданный порог (в настоящей работе — 15°). Для примера на рис. 1 представлена геометрия эксперимента для солнечной вспышки M2.0, зарегистрированной 8.11.2010 г. с максимумом в 13.47 (см. рис. 2, 3а). Черные треугольники отмечают положение станций, использующихся для обработки; серые точки отмечают подионосферные точки лучей "приемник—спутник GPS" на высоте 300 км; звездочка отмечает положение подсолнечной точки; затемненная область отмечает область тени на высоте 300 км. На рис. 1 можно видеть область вблизи границы солнечного терминатора, соответствующая малым углам места Солнца, в которой отсутствуют станции.

На следующем этапе происходит преобразование наклонного ПЭС в вертикальное [6]

I(t) = Is (t) ■ co

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