ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 796-806
УДК 550.388.2
СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТА ПОЛУДЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ППШ
© 2014 г. В. А. Ульев1, О. А. Данилова2
1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург, 2 Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФИЗМИРАН), г. Санкт-Петербург,
e-mail: vauliev@yandex.ru, md1555@mail.ru Поступила в редакцию 14.01.2013 г.
После доработки 26.03.2014 г.
Во время многих ППШ на станциях авроральной зоны в дневной период наблюдается плавное уменьшение поглощения, которое называется эффектом полуденного восстановления. В работе анализируется проявление этого эффекта в явлениях ППШ, зарегистрированных в различные сезоны года: весной, летом и осенью при полностью освещенной ионосфере и зимой при полностью (или частично) неосвещенной ионосфере. В летних ППШ амплитуда полуденного восстановления (наибольшее понижение поглощения в близкие к полудню часы) и частота проявления этого эффекта меньше, чем в равноденственных. Основными факторами, обуславливающими малую амплитуду полуденного восстановления в летних ППШ, являются пониженная температура и повышенное содержание водяного пара в верхней мезосфере летом по сравнению с равноденственными сезонами.
Впервые по экспериментальным и расчетным данным установлено наличие эффекта полуденного восстановления в зимних ППШ. В зимних ППШ вариация поглощения во время полуденного восстановления имеет сложную форму: плавное понижение в дневные часы и кратковременное (импульсного вида) возрастание поглощения в местный полдень. Это возрастание обусловлено тем, что в зимний сезон ионосфера над авроральными станциями на короткий промежуток времени (около местного полудня) освещена, что и вызывает резкое увеличение поглощения. Амплитуда полуденного восстановления в зимних ППШ больше, чем в равноденственных и летних ППШ.
DOI: 10.7868/S0016794014060200
1. ВВЕДЕНИЕ
После мощных солнечных вспышек магнитосфера заполняется потоками солнечных протонов с энергией Ep = 1—100 МэВ. Протоны проникают на высокие геомагнитные широты (Ф' > 60°) и ионизуют атмосферу на высотах 50—90 км (ме-зосфера или нижний ионосферный слой D). В результате на этих высотах возрастает электронная концентрация и в течение нескольких суток рио-метры регистрируют повышенное поглощение космического радиоизлучения, которое называется "поглощением типа полярной шапки" (ППШ) [Bailey, 1964; Leinbach, 1967; Дриацкий, 1974; Широчков, 1986; Ульев и Черток, 1988; Ka-vanagh, 2002; Ульев, 2005]. Во многих явлениях ППШ на станциях авроральной зоны в часы, близкие к местному полудню, происходит уменьшение поглощения, которое называется эффектом полуденного восстановления (ПВ) [Leinbach, 1967; Дриацкий, 1974].
Появление эффекта ПВ объясняется следующим образом. Поток солнечных протонов, ионизующий атмосферу на высоких широтах, можно условно разделить на две части: низкоэнергичную
и высокоэнергичную (в диапазоне энергий протонов соответственно около Ер = 1—10 МэВ и Ер = = 10—100 МэВ). Протоны низких энергий ионизуют атмосферу на высотах h = 70—90 км (верхняя мезосфера или верхняя часть слоя D) и обусловливают поглощение Анэ. Протоны высоких энергий ионизуют атмосферу на высотах h = 50—70 км (нижняя мезосфера или нижняя часть слоя D) и обуславливают поглощение Авэ. Суммарное или полное поглощение, вызванное протонами низких и высоких энергий, равно: Ап = Анэ + Авэ.
На авроральных широтах существует суточная вариация жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО) спектра потока солнечных протонов, проникающих в авроральную магнитосферу [Smart and Shea, 1969; Дриацкий, 1974; Ульев и др., 2009б]. Она проявляется в том, что на одной и той же геомагнитной широте на дневной стороне авроральной магнитосферы (в местные дневные часы) значения ЖГО больше, чем на ночной стороне магнитосферы (в местные ночные часы). В результате на дневной стороне аврораль-ной магнитосферы из процесса ионизации исключаются низкоэнергичные протоны и атмо-
ППШ на ст. о. Хейса и Диксон 20-21 июля 1981 г.
Ан
Ам
ПВ А
Л 1 Ак |
12
20 июля
12
21 июля Часы суток (иТ)
12
22 июля
ППШ на ст. Восток и Молодежная 23-25 ноября1977 г.
12 0 12 0 12 23 ноября 24 ноября 25 ноября
Часы суток (иТ)
Рис. 1. Экспериментальные вариации (а) ППШ 20-22 июля 1981г. на ст. о-в Хейса (О) Диксон (•) и (б) ППШ 2325 ноября 1977 г. на ст. Восток (О) и Молодежная (•). (А) - момент местного полудня на ст. Диксон и Молодежная; |ПВ| - период ПВ на ст. Диксон и Молодежная; Ан, Амин, Ак - поглощение на станциях авроральной зоны (Диксон и Молодежная) соответственно в начале, минимуме и при окончании ПВ, дБ; Апш - поглощение на станциях внутри полярной шапки (о. Хейса и Восток) в момент минимума ПВ, дБ.
а
0
0
0
0
0
0
сферу ионизуют только высокоэнергичные, а на ночной - атмосферу ионизуют как высокоэнергичные, так и низкоэнергичные протоны. Поэтому в дневные часы регистрируется пониженное поглощение, обусловленное только потоками протонов высоких энергий (Ад = Авэ), а в ночные - повышенное поглощение, примерно равное полному поглощению (Ан = Ап = Анэ + Авэ). Это различие поглощения в дневные и ночные часы на авроральных широтах создает эффект ПВ.
Эффект ПВ был открыт около 50 лет назад [НегеЪе^, 1960; ЬетЪасИ, 1961]. За этот период был исследован ряд характеристик и особенностей проявления ПВ. Установлено, что амплитуда ПВ зависит от амплитуды суточной вариации ЖГО, характера спектра потоков солнечных протонов, от геомагнитной широты пункта наблюдения, от уровня геомагнитной активности и от температуры верхней мезосферы [ЬетЪасИ, 1967; Дриацкий, 1974; Ульев, 1978; Ульев и Крупицкая,
1978; Ульев и Крупицкая, 1980; Щеу, 1995; Ульев, 2002; 2003; 2009а]. Однако до настоящего времени не сравнивались основные характеристики ПВ в равноденственных и летних ППШ, а так же не анализировались особенности проявления ПВ в период зимних ППШ. Целью данной работы является исследование сезонного изменения амплитуды и частоты проявления эффекта полуденного восстановления.
2. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТА ПОЛУДЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ВЕСЕННИХ, ЛЕТНИХ И ОСЕННИХ ППШ
2.1. Амплитуда и частота проявления эффекта полуденного восстановления. На рисунке 1а представлены вариации поглощения ППШ 2022 июля 1981 г. на станциях Северного полушария остров Хейса (ф = 80.6° N X = 58° Е, Ф' = 74.7° N и Диксон (ф = 73.5° N X = 80.6° Е, Ф' = 67.8° а на
рис. 1б — вариации поглощения ППШ 23—25 ноября 1977 г. на станциях Южного полушария Восток (ф = -78.4° 8, X = 106.9° Е, Ф' = -83.26° 8) и Молодежная (ф = -67.67° 8, X = 45.85° Е, Ф' = -66.57° 8). На авроральных станциях Диксон (21 июля) и Молодежная (24 и 25 ноября) в часы, близкие к местному полудню, около 07 и 09 иТ (обозначено значком А) проявляется спад поглощения, т.е. эффект ПВ (период ПВ обозначен |ПВ|). На станциях о. Хейса и Восток, расположенных внутри полярной шапки, такой спад поглощения отсутствует, т.е. эффект ПВ не проявляется.
Для анализа параметров эффекта полуденного восстановления (ПВ) использованы материалы регистрации ППШ риометрами на частоте 32 МГц на ст. Диксон и Молодежная за период 1966-1998 гг. Рассматривались ППШ, которые происходили в период местного летнего полугодия (с марта-по сентябрь и с сентября-по март соответственно для ст. Диксон и Молодежная). В этих явлениях ППШ были выбраны дни, во время которых поглощение ППШ регистрировалось при следующих условиях: (1) ионосфера полностью освещена в период возможного проявления ПВ в местные дневные часы и (2) уровень геомагнитной активности низкий или умеренно возмущенный (Кр < 4+). Из материалов каждой станции было отобрано около 130 дней с наличием или отсутствием ПВ (при этом рассматривались только дни с величиной поглощения ППШ более 1 дБ).
Амплитуда ПВ определялась исходя из параметров вариации поглощения во время ПВ (см. рис. 1 данные ст. Диксон и Молодежная) по следующей формуле:
м = 1 - Аин/((Ан + Ак )/2), (1)
где Амин, Ан и Ак - поглощение в минимуме, в начале и при окончании ПВ, дБ.
При отсутствии ПВ в рассматриваемый день ППШ амплитуда эффекта ПВ принималась равной 0. Исходя из значений М в каждом месяце (за все рассматриваемые годы), определены среднемесячные значения амплитуды ПВ: Мср. Частота проявления ПВ в каждый месяц определялась по формуле:
/пв (%) = («пв/«) 100, (2)
где /пв (%) - частота проявления ПВ, проценты; ппв, п - соответственно количество дней ППШ с ПВ и всех дней ППШ за все рассматриваемые годы в один и тот же месяц года, дни.
На рисунках 2а и 2б представлены значения Мср и /пв по данным ст. Диксон в период летнего полугодия. (Вследствие малого количества ППШ в июне, данные за июнь объединены с данными за май и для этих двух месяцев вычислено по одному значению Мср и/пв, которые на рис. 2а и 2б указаны точками с абсциссами напротив 5-го меся-
ца). Проведены линии регрессии (полиномы 2-ой степени), аппроксимирующие значения Мср и /пв. Видно, что на аппроксимирующих линиях местным летом (в июне) амплитуда и частота проявления ПВ соответственно примерно на 30% и 50% меньше, чем в равноденственные сезоны (в марте и сентябре).
Аналогичные графики построены по данным ст. Молодежная на рисунках 2в и 2г. (Вследствие малого количества ППШ в январе, данные за январь объединены с данными за декабрь и для этих двух месяцев вычислено по одному значению Мср и/пв, которые на рис. 2в и 2г указаны точками с абсциссами напротив 12-го месяца). Проведены линии регрессии (полиномы 2-ой степени), аппроксимирующие значения Мср и/пв. Видно, что на аппроксимирующих линиях летом (в декабре) амплитуда и частота проявления ПВ на ст. Молодежная соответственно примерно на 25% и 15% меньше, чем в равноденственные сезоны (в марте и сентябре).
Для объяснения такой сезонной тенденции параметров ПВ рассмотрим сезонные вариации нескольких факторов, влияющих на амплитуду ПВ, а именно: спектра потоков солнечных протонов, уровня геомагнитной активности, суточной вариация жесткости геомагнитного обр
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.