ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 211-221
УДК 550.388.2
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА ИОНОСФЕРНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ ВДОЛЬ МЕРИДИОНАЛЬНЫХ И ШИРОТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ
СОЛНЕЧНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ © 2015 г. О. М. Бархатова1,2, Н. В. Косолапова1,2, И. А. Базина2
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, г. Нижний Новгород 2Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина, г. Нижний Новгород
e-mail: o.barkhatova@inbox.ru Поступила в редакцию 18.12.2013 г.
Выполнен анализ ионосферной возмущенности средних широт в меридиональных и широтных направлениях на основе значений введенного ранее индекса IAI. Установлен вклад гелиогеофизиче-ских параметров, оказывающих заметное влияние на ионосферу средних широт и общий уровень ионосферной возмущенности. Выполнена количественная оценка изменения уровня ионосферной возмущенности вдоль одной долготы при движении от низких широт к более высоким широтам в интервале 35—50° N. На основе полученных результатов предложена методика расчета поправки индекса IAI , позволяющая оценить его значения на любой широте по известным значениям этого индекса на конкретной станции. Разработан нейросетевой способ оперативной диагностики и прогнозирования состояния среднеширотной ионосферы, оцениваемого индексом IAI, по уровню ге-лиогеофизической активности. Найдены оптимальная конфигурация нейронной сети и наиболее эффективные входные параметры для получения максимальной (75%) эффективности нейросете-вого прогнозирования значений индекса IAI.
DOI: 10.7868/S0016794015010034
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема создания индекса ионосферной активности, который может быть использован для текущего контроля и прогноза уровня ионосферной возмущенности, является актуальной, и ей посвящен ряд современных исследований. Среди работ, в которых анализируется поведение критических частот в различных условиях солнечной и магнитосферной активности, следует выделить работы по классификации ионосферной возмущенности и созданию индексов ионосферной погоды [Kutiev and Muchtarov, 2001; Bremer et al., 2006; Gulyaeva et al., 2008; Mielich and Bremer, 2010]. В работе [Gulyaeva et al., 2008] предложена методика создания подобного индекса, однако она основана только на данных за единственный геомагнитоспокойный год (2006). Несмотря на то, что в данной работе учитывается уровень глобальной геомагнитной возмущенности (проведено сопоставление полученных значений индекса со значениями индекса Dst), анализ только гео-магнитоспокойного года не позволяет учесть долгопериодные вариации ионосферы в течение цикла солнечной активности. В то же время в статье [Liu et al., 2007] отмечено, что ионосферная возмущенность имеет зависимость от цикла солнечной активности, что выражается в практиче-
ски линейном возрастании электронной плотности ионосферы средних и низких широт от минимума к максимуму одиннадцатилетнего цикла. В работе [Mielich and Bremer, 2010] представлен индекс ионосферной активности AI, разработанный на основе анализа часовых данных критических частот ионосферного слоя foF2 на ст. Juliusruh (54.6° N, 13.4° E) с января 1996 по декабрь 2008 г. Авторы отмечают, что разработанный индекс не имеет тесной связи с уровнем солнечной активности. Однако в ряде других работ обнаружена зависимость foF2 от количества солнечных пятен, вариации радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см (F10.7), ультрафиолетового (EUV) и рентгеновского излучения, параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, а также от уровня геомагнитной активности [Balan et al., 1993, 1996; Liu et al., 2003; LästoviCka et al., 2008; Бархатова и др., 2009]. Например, в работе [Liu et al., 2007] отмечено, что плотность плазмы в верхней части ионосферы практически линейно зависит от дневного F 10.7 и имеет четкую нелинейную зависимость от EUV. Темп изменений концентрации ионосферы возрастает с усилением EUV. Кроме того, данный индекс был создан на основе анализа критических частот на одной станции, что не позволяет считать данный индекс универсальным.
211
5*
В работе [Бархатов и Бархатова, 2012] были представлены основы методики классификации ионосферной возмущенности по данным о критической частоте слоя ¥2. Классификация выполнялась с учетом уровня гелио- и геомагнитной активности по значениям очищенных критических частот (ОКЧ). ОКЧ представляли собой критические частоты/о¥2, из которых был удален ряд гармоник с периодами 24 и 12 ч и с периодами более 24 ч. Анализ средних значений вариаций ОКЧ в международные невозмущенные и возмущенные дни для года минимума (1975) и года максимума (1982) солнечной активности позволил выделить пять классов ионосферной возмущенности. Они соответствуют спокойному состоянию ионосферы, состоянию ионосферы с малой, повышенной, высокой и экстремальной возму-щенностью. На основе выделенных классов был создан индекс ионосферной активности 1А1, принимающий значения от 0 до ±4 в зависимости от уровня ионосферной возмущенности.
Целью данной работы является проверка разработанного ранее метода классификации ионосферной возмущенности по данным ионосферных станций, расположенных вдоль меридиональных и широтных направлений, на протяжении цикла солнечной активности, а также введение поправки, позволяющей оценивать значения индекса 1А1 на любой широте по известным значениям этого индекса на конкретной станции. Также в работе решается задача оперативной диагностики и нейросетевого прогнозирования состояния среднеширотной ионосферы в зависимости от уровня гелиогеофизической активности. Для этого устанавливается связь вычисленного индекса ионосферной активности 1А1 с гелиогеофизиче-скими параметрами, оказывающими заметное влияние на ионосферу средних широт.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА
Оценка ионосферной возмущенности выполнялась на данных станций вертикального зондирования, расположенных вдоль одной широты — Москва (55° N 37° Е), Свердловск (56° N 60° Е) и Томск (56° N 85° Е) за полный цикл солнечной активности с 1975 по 1986 гг., и станций, расположенных вдоль 140-го меридиана в течение 1975 и 1982 гг. Пропуски значений критических частот заполнялись методом интерполяции кубической функцией. Для оценки уровня магнитной возму-щенности в авроральной области использовался индекс АЕ. Уровень глобальной геомагнитной возмущенности оценивался по значениям индекса Лй, уровень геомагнитной возмущенности на конкретной станции — по значениям горизонтальной компоненты геомагнитного поля (MF), а уровень текущей солнечной активности — по зна-
чениям длинноволновой части рентгеновского излучения (ХЬ) в диапазоне 1—8 А. Дискретность всех используемых данных составляла 1 ч.
Оригинальные значения критических частот были использованы для вычисления значений индекса ионосферной активности 1А1 для каждой из рассматриваемых станций согласно методике, описанной в работе [Бархатов и Бархатова, 2012]. Анализ зависимости уровня ионосферной возму-щенности от указанных выше гелиогеофизиче-ских параметров потребовал также введения соответствующей классификации значений этих параметров. Для индекса АЕ, значения которого неотрицательны, было введено 5 классов, соответствующих различному уровню авроральной возмущенности. Авроральные возмущения со значениями индекса АЕ менее 500 нТл считались фоновыми. Каждому новому классу соответствовало увеличение значений индекса АЕ на 300 нТл. В результате был получен новый параметр САЕ (с1а8-8Шса1её АЕ) принимающий значения от 0 до 4, которые сопоставлялись со значениями индекса 1А1.
Классификация вариаций длинноволнового рентгеновского излучения (ХЬ) потребовала удаления среднего значения из рассматриваемой последовательности данных. Это привело к возникновению малых отрицательных значений в очищенной последовательности ХЬ, которые принимались за фоновый (нулевой) уровень. Остальные возмущения были разделены на классы, которым присваивалось значение от 1 до 4. Каждому новому классу соответствовало увеличение интенсивности излучения ХЬ в 3 раза. Таким образом, был получен новый параметр СХЬ (с1а88Шса1её ХЬ).
Классификация значений горизонтальной компоненты геомагнитного поля проводилась по методике, аналогичной классификации ионосферной возмущенности, т.е. были определены максимальные и минимальные значения горизонтальной компоненты в международные спокойные (QD) и возмущенные дни (DD) для 1975 и 1982 гг. На основе этих значений удалось выделить 7 классов магнитной возмущенности со значениями от —4 до 3 и ввести новый параметр CMF (с1а88Шса1её MF), характеризующий текущую локальную магнитную возмущенность на рассматриваемой станции.
3. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ИОНОСФЕРНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ
Введенный ранее индекс ионосферной активности 1А1 по данным ст. Москва сопоставлялся [Бархатов и Бархатова, 2012] с авроральной воз-мущенностью, характеризуемой индексом АЕ, и глобальной геомагнитной возмущенностью, характеризуемой индексом Согласованность
Рис. 1. Соответствие значений вариаций ОКЧ (МГц) установленным классам ионосферной возмущенности на станциях Москва, Свердловск и Томск. Верхние линии построены по значениям верхних ОКЧ в пределах установленных классов; нижние кривые — по значениям нижних границ ОКЧ.
вариаций рассматриваемых индексов продемонстрировала известную связь [Каш1ёе е! а1., 1998] ионосферных и магнитных возмущений, что свидетельствует об адекватности предложенного индекса. Однако использование данных одной ионосферной станции недостаточно для изучения особенностей вводимого индекса. В связи с этим, а также с целью проверки созданного классификационного метода получения 1А1, в течение исследуемого интервала проанализированы данные станций вертикального зондирования ионосферы Свердловск и Томск, находящихся на одной широте со ст. Москва. На рисунке 1 представлены линии, построенные по значениям верхних и нижних границ ОКЧ в пределах установленных классов ионосферной активности для всех станций. Группа линий, находящихся выше нуля по оси ординат, соответствует верхним границам выделенных классов. Соответственно группа
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.