ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2013, том 32, № 9, с. 32-41
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 550.388.2
СРЕДНЕШИРОТНЫЕ АНОМАЛИИ В СУТОЧНОМ ХОДЕ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ В ИОНОСФЕРЕ © 2013 г. В. В. Клименко1, А. Т. Карпачев2, М. В. Клименко1*
1Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Российской академии наук, Калининград 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Российской академии наук, Москва *Е-таП: maksim.klimenko@mail.ru Поступила в редакцию 15.11.2012
В данной работе представлены основные морфологические особенности Б-области среднеширот-ной ионосферы, полученные по данным измерений спутника Интеркосмос-19, а также причины аномалий в суточном ходе электронной концентрации в определенных долготных областях в условиях июньского и декабрьского солнцестояний в северном (Якутская аномалия) и южном (аномалия моря Уэдделла — М^А) полушариях. Обе аномалии характеризуются превышением ночных значений критической частоты Б2-слоя, /0¥2, над дневными. По данным спутника Интеркосмос-19 для высокой солнечной активности построены глобальные распределения foF2 для полуденных и полуночных часов местного времени. Обе аномалии занимают значительную область широт и долгот (около 100° по долготе и 30° по широте). Максимальная разница между ночными и дневными значениями в области Якутской аномалии достигает 1.0—1.5 МГц, что меньше, чем для М^А (3.5—4.0 МГц). В данной работе эти аномалии воспроизводятся с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) и представлено предварительное исследование механизмов их формирования.
Ключевые слова: среднеширотная Б-область ионосферы, долготные вариации, аномалия моря Уэдделла, Якутская аномалия, электронная концентрация, Интеркосмос-19, численное моделирование.
DOI: 10.7868/S0207401X13090070
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных свойств ионосферы Земли является ее долготная изменчивость, исследованию которой уделяется большое внимание, особенно в последние 10 лет. Это связано с тем, что долготные вариации ионосферных параметров сопоставимы по величине с суточными вариациями и важны для прогноза распространения радиоволн как в спокойных геомагнитных условиях, так и во время возмущений при изменении параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Первые достаточно полные исследования долготных вариаций электронной концентрации Ne на высотах спутников Ariel 1 и 3 были выполнены в работе [1]. Долготные вариации параметров слоя F2 во всем диапазоне долгот были впервые выделены по данным спутника Интеркосмос-19 (ИК-19) [2, 3]. Однако до сих пор все еще остаются до конца не изученными долготные аномалии в среднеширотной, самой казалось бы изученной области ионосферы, физика происходящих процессов в которой доста-
точно проста и понятна. Наиболее ярким подтверждением тому являются аномалия моря Уэдделла и Якутская аномалия, которые проявляются в определенном интервале долгот, что позволяет говорить о них в терминах долготных аномалий.
На среднеширотных ионосферных станциях Halley Bay и Argentine Island, расположенных в южном полушарии, довольно давно было обнаружено аномальное поведение foF2 в период с декабря по февраль, когда ночные значения foF2 превышали дневные [4—7]. По названию ближайшего моря, расположенного вблизи этих станций, этот эффект был назван аномалией моря Уэдделла (Weddell Sea Anomaly — WSA). Пространственные характеристики аномалии моря Уэдделла исследовались по данным измерений полного электронного содержания в ионосфере Земли (ТЕС — Total Electron Content) с помощью системы спутников TOPEX/Poseidon [8—10], по данным прямых измерений электронной концентрации на спутнике DMSP [11], а также по данным радиозатменных измерений COSMIC [12—
14]. Эти измерения показали, что аномальные суточные вариации электронной концентрации наблюдаются только в определенной области долгот в период с ноября по февраль. Область аномальных значений fo F2 была четко очерчена только по данным ИК-19 в недавней работе [15]. Оказалось, что аномальная область находится в очень широком диапазоне долгот (от 180° Е до 360° Е) и широт (от 55° S до 90° S), т.е. на самом деле она гораздо больше по площади, чем море Уэдделла. В этой же работе впервые был проведен детальный анализ причин образования WSA. Было показано, в частности, что главной причиной его образования является действие термосферного ветра, который за счет ион-нейтральных столкновений участвует в вертикальном переносе заряженной компоненты ионосферной плазмы на высотах F-области.
Аномалия WSA формируется из-за несовпадения географического и геомагнитного полюсов. И хотя различие между полюсами гораздо больше в южном полушарии, в северном полушарии это различие также существует. Поэтому встает вопрос о наличии аналогичной аномалии в северном полушарии. На самом деле ответ на этот вопрос был получен довольно давно. Еще в 1971 г. в [16] впервые были описаны аномальные суточные вариацииfo F2 по данным ионосферной станции в Якутске. Правда, в [16] и в последующих работах (см., например, [17]) речь шла не о высокой концентрации электронов в ночной ионосфере, а о вечернем максимуме, который по величине мог превышать дневной. Поскольку этот необычный эффект в северном полушарии был впервые выделен для ионосферной станции Якутск, мы будем называть это явление Якутской аномалией (ЯА). Попытка выделить область Якутской аномалии была сделана недавно по данным радиоза-тменного эксперимента COSMIC [13]. При этом для 22 LT была выделена область увеличения электронной концентрации в очень узкой полосе широт (40°—60° N) и долгот (120°-140° Е). Авторами работы [11] ЯА была также обнаружена на высотах ~850 км по данным спутников DMSP, и был сделан довольно неожиданный вывод о том, что такое поведение электронной концентрации является обычным для северного полушария и имеет другую природу, чем WSA.
Для проверки всех высказанных гипотез относительно механизмов формирования как аномалии моря Уэдделла, так и Якутской аномалии требуется проведение исследований на основе глобальной самосогласованной модели системы термосфера— ионосфера, описывающей наиболее полным образом взаимосвязь процессов, происходящих в этой системе. Попытка таких исследований была предпринята в работе [18]. Однако следует заметить, что в результатах модельных расчетов, представленных в данной работе, не совсем точно воспроизводится
широтный диапазон указанных аномалий, что ставит под сомнение выводы, касающиеся основных механизмов их формирования, сделанные в этой работе. Цели нашей работы — описать морфологические особенности ЯА и по данным ИК-19 и воспроизвести их с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) [19—22]. Данные исследования представляют собой предварительные результаты, показывающие возможности совместного использования данных ИК-19 и глобальной численной модели верхней атмосферы Земли с целью детального изучения долготных аномалий в электронной концентрации на высотах Б-обла-сти среднеширотной ионосферы.
1. ГЛОБАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ /с№2 В СЕВЕРНОМ И ЮЖНОМ ПОЛУШАРИЯХ
ДЛЯ ЛЕТНИХ УСЛОВИЙ ПО ДАННЫМ СПУТНИКА ИНТЕРКОСМОС-19
Спутник ИК-19 функционировал в период высокой солнечной активности (^10.7 = 150—250) с февраля 1979 по март 1981 г. Массив данных спутника составляют измерения, полученные на более чем 2000 витках, что охватывает все сезоны и часы местного времени. Спутник вращался по эллиптической орбите на высотах 500—1000 км с наклонением в 74°. Ионограммы внешнего зондирования записывались на борту в цифровом виде на любой долготе в пределах орбиты спутника. Данные ИК-19 неоднократно использовались для исследований вариаций параметров Б2-области среднеширотной ионосферы [2, 3, 15, 23—26]. Мы выделили зоны и ЯА по данным ИК-19. Для этого мы воспользовались данными ИК-19 для летних и зимних месяцев 1979 и 1980 гг. Они относятся к высокой солнечной активности (/10.7 = = 170—230) и спокойным геомагнитным условиям (Кр < 3). Данные равномерно распределены по долготе и местному времени, так что на двухчасовой интервал местного времени, для которого строились ЕГ-карты, приходится от 2000 до 3500 значений/о¥2. Это позволяет построить адекватное глобальное распределение/о¥2 в северном и южном полушариях, которое отражает средние условия в летней ионосфере.
На рис. 1 и 2 приведены распределения для околополуночных и околополуденных условий декабрьского и июньского солнцестояний в южном и северном полушарии соответственно. Видно, что вблизи полуночи на широтах 65° 8 и 60° N наблюдаются локальные максимумы электронной концентрации на долготе ~270° в южном полушарии (рис. 1) и на долготе 150° в северном полушарии (рис. 2). В околополуденных условиях на широтах ±60—65° наблюдается минимум концентрации примерно на этих же долготах. При
0 90 180 270 360
Долгота, град
Рис. 1. Распределение /о¥2 в северном полушарии, полученное по данным ИК-19 для 00 ЕГ и 14 ЕГ летних условий. Изолинии даны в МГц.
этом ночные значения /о¥2 в некоторой области оказываются выше дневных, что и определяет наличие аномалии. Вычитая значения/о¥2, взятые с дневной карты, из значений /о¥2, взятых с полуночной карты, получаем разницу между ночными и дневными значениями /о¥2. Положительная разница как раз и говорит об аномальной суточной вариации /о¥2. Максимумы долготных аномалий действительно находятся вблизи Якутска и моря Уэдделла. Якутская аномалия значительно слабее аномалии моря Уэдделла, что следует из разницы между полуночными и полуденными значениями /о¥2, достигающей ~2 МГц в северном (ЯА) и ~4.5 МГц в южном полушариях (^^А).
Таким образом, данные ИК-19 указывают на формирование ^^А и ЯА. Более детальные характеристики этих аномалий по данным ИК-19 (размеры аномальных областей, их широты и долготы, максимальные величины) будут представлены в наших последующих статьях. Однако уже сейчас можно отметить, что основные морфологические характеристики этих двух долготных аномалий схожи, что говорит о едино
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.