УДК 533.95:537.84:551.510.535
ВАРИАЦИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗИМНЕЙ АНОМАЛИИ NmF2 С ШИРОТОЙ И СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ © 2012 г. А. В. Павлов, Н. М. Павлова
ФГБУ науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Троицк (Московская обл.), e-mail: pavlov@izmiran.ru Поступила в редакцию 07.05.2010 г.
После доработки 27.07.2010 г.
Рассчитаны максимальные отношения R зимнего к летнему значению NmF2 одного и того же ионо-зонда для данного UT при геомагнито-спокойных дневных условиях и примерно одном и том же уровне солнечной активности по данным измеренийfoF2 98-ми ионозондов средних и низких широт северного и южного полушарий за период с 1957 по 2009 г. Условная вероятность P(R > 1) наблюдать зимнюю аномалию NmF2, наиболее вероятное RMP и среднее {R) значения R вычислены для низкой, умеренной и высокой солнечной активности по измерениям foF2 в течение периодов 22 декабря ± 30 дней и 21 июня ± 30 дней. Изучены вариации P(R > 1), RMP и {R) с широтой и солнечной активностью.
1. ВВЕДЕНИЕ
В зимних геомагнито-спокойных дневных условиях концентрация электронов NmF2 максимума слоя F2 ионосферы часто выше, чем геомаг-нито-спокойное значение NmF2 в летних условиях при близких значениях уровней солнечной активности при том же значении местного времени и над той же точкой поверхности Земли. Это явление известно как зимняя аномалия NmF2 (см., например, [Боенкова, 1969; Фаткуллин и др., 1973, 1974; Брюнелли и Намгаладзе, 1988; Павлов и др., 2008 а, б; Torr and Torr, 1973; Zou et al., 2000; Pavlov and Pavlova, 2005, 2009]).
Для изучения явления зимней аномалии NmF2 в работе [Боенкова, 1969] проведено глобальное сравнение ежечасных медианных значений критических частот foF2 слоя F2 ионосферы, измеренных ионозондами северного и южного полушарий в январе и июле 1958, 1962 и 1963 гг. В исследовании [Torr and Torr, 1973] зимней аномалии NmF2 использовались средние арифметические значения месячных медиан foF2 за ноябрь-февраль и май-август, вычисленные по данным 140 ионозондов вблизи полудня за 1958, 1969 и 1964 гг. Однако, по определению, месячная медиана ионосферного параметра не связана с уровнем геомагнитной активности [Пиггот и Равер, 1978]. Таблица 3 работы [Pavlov and Pavlova, 2005] показывает, что день месяца, в который вычисляется медиана ионосферного параметра, может быть как геомагнито-спокойным, так и геомагни-то-возмущенным. Использование геомагнито-возмущенных значений NmF2 вместо геомагни-то-спокойных NmF2 может привести к неверным
результатам и выводам. Поэтому достоверность результатов и выводов работ [Боенкова, 1969; Torr and Torr, 1973] неясна. Кроме того, использование в работе [Torr and Torr, 1973] усредненных за четыре месяца значений foF2 дает слишком грубую оценку явления зимней аномалии NmF2.
Изучение вариаций ионосферных параметров примерно над одной и той же точкой поверхности Земли в фиксированные день года и момент местного времени (или при близких значениях местного времени и номера дня в году) при геомагни-то-спокойных условиях и примерно одинаковом уровне солнечной активности выявило значительную изменчивость NmF2, возможные источники которой обсуждаются в работах [Forbes et al., 2000; Rishbeth and Mendillo, 2001]. Эта изменчивость зимних и летних NmF2 вызывает изменчивость отношения зимнего значения NmF2 к летней величине NmF2, определяющего зимнюю аномалию NmF2. Поэтому для изучения зимней аномалии NmF2 необходимо использовать статистические методы, описанные, например, в монографии [Джонсон и Лион, 1980], и впервые примененные в работе [Pavlov and Pavlova, 2008] для изучения зимней аномалии NmF2 по данным ионозонда Argentine Islands. Цель настоящей работы - применить этот статистический подход для изучения вариаций статистических параметров зимней аномалии NmF2 с широтой и солнечной активностью по данным измерений foF2 98-ми ионозондов средних и низких широт северного и южного полушарий за период с 1957 по 2009 г.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОД ИХ АНАЛИЗА
В работе используются часовые значений foF2, измеренные 98-ю ионозондами с 1957 по 2009 г. и взятые по Интернету из базы данных геофизического центра данных Боулдер, США. Географические и геомагнитные координаты ионозондов приведены в табл. 1. При вычислении геомагнитных координат геомагнитное поле аппроксимируется полем эксцентричного магнитного диполя с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов Земли и различия между центром вращения Земли и центром геомагнитного диполя с учетом годовых вариаций параметров эксцентричного магнитного диполя от 1955 до 1995 г. с шагом в 5 лет [Деминов и Фищук, 2000]. Используя коэффициенты Гаусса [Lanza and Mel-oni, 2006], параметры эксцентричного магнитного диполя были вычислены для 2000 и 2005 г. Эти значения позволяют определить параметры эксцентричного магнитного диполя для каждого года путем линейной интерполяции, а для 2006— 2009 гг. используется линейная экстраполяция с использованием параметров 2000 и 2005 г.
В геомагнито-спокойных условиях ионосфера средних широт расположена в промежутках изменения геомагнитных широт 30—55° и от —30° до —55°, а ионосфера низких широт находится между —30° и 30° геомагнитной широты [Брюнел-ли и Намгаладзе, 1988]. Исходя из средних значений геомагнитных широт ионозондов табл. 1, 59 и 14 ионозондов расположены на средних широтах северного и южного географических полушарий соответственно, 15 ионозондов — на низких широтах северного географического полушария от 12.2° до 27.2° геомагнитной широты и 10 ионозондов — на низких широтах южного географического полушария от —13.9° до —28.2° геомагнитной широты.
Дни декабрьского и июньского солнцестояния — центральные дни зимнего и летнего сезонов северного географического полушария и летнего и зимнего сезонов южного географического полушария. Исходя из этого, в настоящей работе проводится сравнение NmF2, измеренных в течение периодов 22 декабря ± 30 дней и 21 июня ± ± 30 дней для данного значения мирового времени UT или солнечного местного времени
SLT = UT + X/15, (1)
где X — географическая долгота в градусах, а единицы измерения SLT и UT — часы.
Времена восхода и захода Солнца зависят от высоты [Павлов и Павлова, 2010], но для преобладающего большинства ионозондов табл. 1 отсутствуют измерения высот максимума слоя F2, на которых эти времена должны вычисляться. Поэтому времена восхода и захода Солнца опре-
деляются с помощью алгоритмов, приведенных в работе [Павлов и Павлова, 2010], на высотах 220, 270 и 320 км для условий низкой, средней и высокой солнечной активности.
Известно, что NmF2 зависит от потока ионизирующего солнечного излучения в рассматриваемый день, величина которого коррелирует с индексом солнечной активности F10.7 для исследуемого дня и средним значением F 10.7 индекса F10.7 за 81 день с центром в рассматриваемый день [Richards et al., 1994]. Вариации NmF2 также связаны с изменениями температуры и концентраций нейтральных компонентов, зависимость которых от солнечной активности описывается зависимостью этих параметров от F10.7p (индекс F10.7 за день, предшествующий рассматриваемому дню) и F 10.7 [Hedin, 1987; Picone et al., 2002]. Поэтому зависимость NmF2 от солнечной активности можно приближенно описать в терминах
изменений индексов F10.7, F10.7p и F 10.7.
В настоящей работе при вычислении каждого отношения зимнего значения NmF2 к летней величине NmF2 рассматриваются только те пары зимнего и летнего дней, индексы солнечной активности которых близки:
|F10.7(W) - F10.7(S)| < 20,
|F10.7p(W) - F10.7p(S)| < 20, (2)
|F10.7(W) - F10.7(S)| < 20,
где буквами W и S отмечаются зимние и летние дни соответственно.
Измеренные зимние и летние значения NmF2 сортируются на три группы, соответствующие низкому, умеренному и высокому уровню солнечной активности, для изучения вариаций параметров зимней аномалии NmF2 с солнечной активностью. Низкая солнечная активность определяется условиями
F10.7 < 100, F10.7p < 100, F 10.7 < 100. (3) При умеренной солнечной активности
100 < F 10.7 < 170, 100 < F 10.7p < 170,
---(4)
100 < F 10.7 < 170. Для высокой солнечной активности
F10.7 > 170, F10.7p > 170, F 10.7 > 170. (5)
Релаксация состава нейтральной верхней атмосферы от возмущенных к спокойным условиям происходит примерно за 7—12 ч в среднем [Hedin, 1987], при этом время полного восстановления состава нейтральной верхней атмосферы на всех высотах выше 120 км может составлять несколько суток [Richmond and Lu, 2000]. Поэтому, если в момент измерения NmF2 значение трехчасового индекса Kp геомагнитной активности не превы-
Таблица 1. Географические широта ф и долгота X и геомагнитные широта Ф и долгота Л ионозонда, условная вероятность Р(Я > 1) наблюдать зимнюю аномалию, наиболее вероятное значение ЯМР отношения Я и среднее значение (Я) отношения Я за период измерений с 1957 г. по 2009 г. Первая, вторая и третья цифры соответствуют условиям низкой, умеренной и высокой солнечной активности. Прочерк соответствует условиям, когда расчеты не проводятся из-за отсутствия или малого количества данных
H0H030H£ Ф (°) ь (°) Ф (°) Л (°) P(R > 1)(%) RMP {R)
Yakuts 62.0 129.6 54.0 ± 0.5 192.0 ± 0.9 90, 98, 95 1.3, 1.9, 2.9 1.5, 2.3, 2.7
Podkamennaya 61.6 90.0 52.8 ± 0.6 159.9 ± 0.1 66, 98, 98 1.3, 2.1, 3.1 1.2 2.1, 3.3
Magadan 60.0 151.0 54.3 ± 0.7 211.9 ± 1.4 95, 99, 100 1.5, 2.1, 3.3 1.7 2.5, 3.7
Tomsk 56.5 84.9 47.6 ± 0.6 155.1 ± 0.3 89, 100, 100 1.3, 1.5, 2.5 1.4 1.9, 2.7
Sverdlovsk 56.4 58.6 48.7 ± 0.2 133.2 ± 0.2 82, 100, 99 1.3, 1.9, 2.5 1.3, 1.9, 2.7
Gorki 56.1 44.3 49.6 ± 0.1 121.0 ± 0.2 69, 89, 100 1.1, 1.9, 2.3 1.2 1.8, 2.8
Moscow 55.2 37.3 49.9 ± 0.2 114.5 ± 0.6 82, 100, 97 1.3, 1.7, 2.7 1.3, 2.0, 2.9
Kaliningrad 54.7 20.6 51.2 ± 0.2 99.9 ± 0.3 95, 100, 98 1.3, 1.5, 2.5 1.5 2.0, 2.4
Juliusruh 54.6 13.4 52.2 ± 0.4 92.9 ± 0.8 76, 98, 100 1.1, 1.9, 2.7 1.2, 2.0, 2.8
Novosibirsk 54.6 83.2 45.6 ± 0.5 153.8 ± 0.1 89, 86, 86 1.3, 1.9, 2.3 1.4 1.9, 2.1
St Peter-Ording 54.3 8.6 52.3 ± 0.1 88.8 ± 0.2 87, —, — 1.5, —, — 1.6 —, —
Petropavlovs
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.