КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 3, с. 195-200
УДК 537.12+533.952
ПЛАНЕТАРНЫЕ ВОЛНЫ ПО ОДНОВРЕМЕННЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ СО СПУТНИКОВ GPS И НА МАГНИТНЫХ НАЗЕМНЫХ СТАНЦИЯХ
© 2008 г. С. Л. Шалимов, В. М. Лапшин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.12.2006 г.
За 12 месяцев 2003 г. по измерениям на японских магнитных станциях, а также со спутников GPS проведено сопоставление одновременных измерений вариаций трех компонент магнитного поля и полного электронного содержания (ТЕС) в диапазоне периодов планетарных волн. Корреляционный анализ показал присутствие практически синхронных вариаций в указанном диапазоне периодов на наземных магнитометрических станциях и в измерениях ТЕС как во время сильных магнитных возмущений, так и в спокойные периоды. При этом сильные магнитные возмущения можно рассматривать как возможный самостоятельный источник вариаций ионосферы в диапазоне планетарных волн, а сопутствующие ионосферные бури как возможный фактор, изменяющий проводимость плазмы нижней ионосферы. В спокойные периоды корреляция магнитных вариаций и возмущений ТЕС обусловлена непосредственным воздействием атмосферных планетарных волн на нижнюю ионосферу и может быть связана с вариациями ионосферных токов за счет механизма динамо.
PACS: 94.05.-а, 94.20.W, 94.20.wg, 94.20.wh
ВВЕДЕНИЕ
Исследования вариаций плотности ионосферной плазмы, проводимые в последние годы, показывают, что, наряду с солнечной и магнитной активностью, на ионосферу оказывают сопоставимое с ними по мощности воздействие атмосферные акустико-гравитационные и планетарные волны [1]. Типичные для атмосферных планетарных волн периоды (близкие к периодам 2, 5, 10 и 16 дней) были сначала обнаружены в вариациях (5-дневных) ионосферного поглощения радиоволн (^-область), которые ассоциировались с одновременными 5-дневными волнами в стратосфере [2]. Позднее по наземным наблюдениям были зарегистрированы квази 16-дневные осцилляции горизонтальной компоненты магнитного поля и одновременные осцилляции критической частоты ионосферного слоя Е [3]. Эти осцилляции предлагалось рассматривать как следствие проникновения энергии атмосферных планетарных волн на высоты ионосферы. По данным глобальной сети ионозондов (за 20-летний период) обнаружено, что квази 2-дневные вариации критической частоты слоя Е иногда достаточно хорошо коррелируют с квази 2-дневными волнами в мезо-сфере [4]. Однако, наряду с результатами, подтверждающими в целом подобие спектров возмущений (в диапазоне периодов планетарных волн) в атмосфере и различных ионосферных слоях, было обращено внимание и на явные расхождения между ожидаемой (в рамках простой гипотезы о распространении планетарных волн в ионосферу) и наблюдаемой картинами возмущений [5-7]. В частности, возмущения в мезосфере и Е
слое ионосферы часто коррелируют, в то же время между стратосферой и мезосферой корреляция может отсутствовать; также может отсутствовать корреляция между мезосферой и Е слоем ионосферы [5].
Принимая во внимание, что вертикальная скорость планетарных волн невелика (2-10 км/день), не удивительно, что связь между стратосферой и мезосферой, а также мезосферой и Е слоем ионосферы может либо отсутствовать, либо наблюдаться со значительной задержкой во времени. Кроме того, моделирование распространения планетарных волн в верхнюю атмосферу показывает [8], что эти возмущения не должны проникать выше 100 км. Между тем, согласно эксперименту, вариации с периодами планетарных волн одновременно наблюдаются не только в нижней, но и в верхней ионосфере. При этом неявно предполагалось [3], что связь между нижней и верхней ионосферой практически мгновенная, что могло бы указывать на электромагнитный механизм взаимодействия слоев или на общий для обоих ионосферных слоев (Е и Е), внешний по отношению к ним процесс, синхронно изменяющий их параметры.
Так или иначе, но эти экспериментальные результаты и теоретические представления показывают, что достаточно ясное понимание причин вариаций ионосферной плотности в диапазоне атмосферных планетарных волн и механизмов воздействия этих волн на ионосферные слои, на сегодняшний день отсутствует. Поэтому необходимы дальнейшие исследования этих вопросов.
Таблица 1
Широта (геогр., град) Долгота (геогр., град) Широта (геом., град) Долгота (геом., град)
Memanbetsu 43.90 144.20 34.75 210.45
Kakioka 36.23 140.18 26.77 207.99
Kanoya 31.42 130.88 21.44 200.35
В настоящей работе одновременные наблюдения на магнитных наземных станциях и со спутников GPS использованы для исследования: 1) синхронности вариаций в нижней (слой Е) и верхней ионосфере (слой F) в диапазоне периодов планетарных волн и 2) возможных процессов, которые могут приводить к подобным вариациям.
Ожидаемые вариации магнитного поля ассоциируются с вариациями ионосферных токов (Е-слой) и, кроме известных Sq-вариаций, обусловленных нагревом атмосферы и изменениями проводимости ионосферы из-за разного воздействия солнечной радиации днем и ночью (и в меньшей степени приливов со стороны Луны и Солнца), могут быть обусловлены магнитной активностью (типичная продолжительность магнитной бури - несколько дней), а также прямым или опосредованным влиянием атмосферных волн. Поэтому особое внимание будет уделено предполагаемому отклику ионосферной плотности на магнитные бури и атмосферные возмущения в выделенном диапазоне планетарных волн.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Анализировались наблюдения за 12 месяцев 2003 г. на трех японских обсерваториях (Kakioka, Kanoya, Memanbetsu - аббревиатуры kak, kny, mmb соответственно), расположение которых дано в табл.1.
Подробности о методике измерений можно узнать на сайте http://www.kakioka-jma.go.jp/index.html. Измерялись (с дискретностью 1 час) 3 компоненты магнитного поля: H, D, Z и полная составляющая F, а также 2 горизонтальные компоненты электрического поля X и Y.
Для исследования вариаций плотности ионосферы в анализ были включены данные по полному электронному содержанию (total electron content - TEC), полученные по измерениям на станциях GPS тех же обсерваторий. Для анализа вариаций TEC использованы данные сайта http://www.aiub.unibe.ch/ionosphere, где они представлены в виде величин TEC по всему земному шару в узлах сетки с шагом 2.5° по широте и 5° по долготе, следующих с интервалом 2 часа. Поскольку эти данные известны только в узлах сет-
ки, то они интерполировались для координат трех наземных станций.
Указанные измерения были дополнены стандартными индексами, характеризующими уровень магнитной активности (Кр и Ар индексы). Кроме того, в рассмотрение включены D^-индекс (как индикатор токов в магнитосфере) и индекс солнечной активности F107 (как индикатор ионизации и нагрева солнечной термосферы солнечным излучением, данные взяты с сайта ftp://ftp .ngdc. noaa .gov /STP/SOLAR_DATA/SOLAR _RADIO/FLUX/).
После режекторной фильтрации (удаление периодических флуктуаций [9]) исходных данных была применена низкочастотная фильтрация, с помощью которой удалены компоненты с периодами 1.5 сут и меньше. На рис. 1 показан результат непрерывного вэйвлет-анализа данных в диапазоне периодов 2-30 сут. Вычислялись абсолютные величины коэффициентов непрерывного вэйвлетного преобразования Морли.
Представленные на рис. 1 данные показывают, что в отношении магнитной активности практически весь год можно считать умеренно возмущенным, за исключением окончания года, когда произошли сильнейшие магнитные бури (20.XI. и 29-30.XI.). При этом наиболее интенсивные вариации ТЕС (особенно квази 16-дневные волны) приурочены к зимнему и весеннему сезонам, а также ко времени магнитных бурь в конце года.
Вычисление коэффициента корреляции между вариациями ТЕС и индексами Dst и F107 за год приводит к величинам 0.2 и 0.4 соответственно. Однако вычисление коэффициента корреляции между вариациями ТЕС и магнитными компонентами за год показало практически отсутствие корреляций (типичная величина коэффициента корреляции равна 0.2), тогда как корреляция между индексами геомагнитной активности и магнитными компонентами оказалась достаточно высокой (0.6-0.8).
Выделим теперь для дальнейшего анализа период с января по апрель, когда магнитная активность была сравнительно низкой, а вариации ТЕС наиболее интенсивными (условно назовем этот интервал времени "^-период") и период с высокой магнитной активностью - с 15.X. по 1.XII., когда и вариации ТЕС были также достаточно интенсивными ("D-период"). Типичные величины коэффициентов корреляции между ТЕС, магнитными компонентами и Ар-индексом, D^-индексом и индексом F10.7 для этих двух периодов даны в табл. 2 (там, где отрицательный и положительный коэффициенты корреляции близки по величине в скобках указан преобладающий знак корреляции).
Из таблицы следует, что вариации ТЕС в диапазоне периодов планетарных волн во время
1.I 1.IV 1.VII 1.X.2003 г.
10 20 30 40 50 60
Рис. 1
сильных магнитных возмущений, должны быть включены в картину динамики ионосферных бурь (подобно атмосферным внутренним волнам [10]). Другими словами, сильные магнитные возмущения можно считать одним из источников возмущений ионосферы в диапазоне периодов планетарных волн. В то же время, в спокойные (в геомагнитном отношении) периоды источник планетарных волн ассоциируется с атмосферой (и прежде всего с влажной конвекцией [11]). Заметная корреляция возмущений ТЕС и Н-компонен-ты магнитного поля, которая при этом существует, указывает на синхронность процессов в F- и £-слоях соответственно. Учитывая малость вертикальных скоростей планетарных волн, можно предполагать, что такая синхронность обусловлена электромагнитной связью и/или почти одновременным изменением параметров нижней и верхней ионосферы (например, из-за воздействия атмосферных приливов, имеющих вертикальную длину волны 30-100 км, и проникновение которых в ионосферу модулируется планетарными волнами).
Кроме того, из таблицы видны следующие особенности: 1) разный знак коэффициента корреляции в Q и Б-периоды для магнитных компонент (хотя величины коэффициента корреляции остаются приблизительно такими же); этот признак, по-ви
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.