ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 56-63
УДК 350.385
ВАРИАЦИИ ТРЕНДОВ foF 2 С СЕЗОНОМ И ВРЕМЕНЕМ СУТОК © 2015 г. А. Д. Данилов, А. В. Константинова
Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова Росгидромета, г. Москва e-mails: adanilov99@mail.ru; anna@tabulata.ru Поступила в редакцию 16.06.2014 г.
Детально проанализированы медианные величины критических частот по наблюдениям на ионосферных станциях Slough, Juliusruh и Rome. Методом, неоднократно описанным авторами ранее, находились долговременные тренды foF2 для периода 1985—2010 гг. Исследовалась зависимость величины тренда к от местного времени и месяца года. Для всех трех станций получен близкий сезонный и суточный ход к. Максимальные величины отрицательных трендов foF2 приходятся на дневной период суток (10:00—16:00 LT). В сезонном ходе наблюдаются два максимума абсолютной величины к: в конце зимы—начале весны и в середине осени. В летние месяцы абсолютные величины трендов малы. Вывод о сезонном ходе к совпадает с выводом авторов в более ранней публикации о том, что зимой отрицательные трендыfoF2 выражены сильнее, чем летом. Обсуждаются возможные заключения о характере трендов термосферных параметров, которые следуют из полученных выводов о вариациях трендов foF2.
DOI: 10.7868/S0016794015010046
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема долговременных трендов параметров ионосферного слоя /2 обсуждалась уже неоднократно. Мы отсылаем читателя к обзору одного из авторов [Данилов, 2012] и к недавним публикациям авторов, посвященным поискам трендов /о/2 и Нш¥2 [Данилов и Константинова, 2013а, б].
Хотя получаемые разными группами исследователей абсолютные тренды/о¥2 и кш/2 пока не велики и пока не могут быть учтены в ионосферных моделях, используемых для решения прикладных задач, изучение этих трендов очень важно по двум причинам. Во-первых, наличие отрицательных трендов этих параметров подтверждает концепцию "охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы" [Ьа^сй ска й а1., 2008, 2009, 2012], которая становится все более общепризнанной. Во-вторых, проведя анализ поведения величин к, можно попытаться определить, как изменяются характеристики термосферы (температура, нейтральный состав, динамика) в процессе охлаждения и оседания атмосферы. Например, еще в 2008 г. анализ трендов величины /о/2(02)//о/2(14) в работе одного из авторов [ЭапЛсу, 2008] показал, что знак тренда связан со знаком магнитного склонения Б. Указанный факт говорит о том (за деталями мы отсылаем читателя к указанной выше публикации), что тренды отношения /о/2(02)//о/2(14) вызваны трендом зонального ветра в термосфере, а именно — усилением ветра на восток. В работе авторов [Данилов и Константинова, 2013а] было получено, что есть тенденция усиления отрицательных трендов /о/2 зимой по сравнению с ле-
том. Если это так, то температура не может быть главным фактором, определяющим тренды критической частоты, и надо искать долговременные изменения других параметров термосферы. Мы вернемся к этому вопросу ниже в данной статье.
Целью данной работы является детальный анализ суточных и сезонных вариаций трендов критической частоты слоя /2 на основании месячных медиан /о/2.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОД
Для анализа были взяты данные трех ионосферных станций (Slough, Juliusruh и Rome), расположенных в одном регионе (Западная Европа). Последнее обстоятельство существенно, поскольку в предыдущей работе авторов [Данилов и Константинова, 20146] было показано, что имеется тенденция изменения трендов foF2 с широтой и долготой.
Рассматривались месячные медианыfoF2, взятые из банка данных Дамбольдта и Суссмана [Damboldt and Suessmann, 2012]. Рассматривался период времени с 1957—1958 гг. до конца ряда данных в указанном банке (2009 г.).
В работе авторов [Данилов и Константинова, 2013а], посвященной детальному анализу трендов foF2 по данным различных банков ионосферных данных, подчеркивалось, в частности, что во всех банках встречаются ошибочные (иногда явно бессмысленные) данные, которые могут оказывать влияние на результаты анализа. В указанной
работе приводится конкретный пример серии таких данных, взятый из известного банка "SPIDR".
Банк месячных медиан, использованный в данной работе, не представляет исключения. Поэтому, как и в работе [Данилов и Константинова, 2013а], мы проводили проверку абсолютно всех исходных данных по foF2. Мы исходили из предположения, что должна соблюдаться относительная "гладкость" изменения этого параметра со временем. В ряде случаев встречались ситуации, когда величина bfoF2 (разность между наблюдаемой величиной и величиной, даваемой моделью, см. ниже) для какого-то года резко отличалась от величин для предыдущих и последующих лет. Пример для 10:00 LT и февраля для ст. Juliusruh приведен в табл. 1. Очевидно, что величина —3.01 МГц для 1988 г. выпадает из гладкого хода bfoF2 со временем. В подобных случаях мы исключали выпадающую величину при расчете тренда. Конечно, такой подход содержит элемент произвола, однако, с другой стороны, он позволяет очистить исходные данные от данных, с большой вероятностью ошибочных. Естественно, мы старались максимально ограничить использование указанного приема.
Для нахождения трендов применялся метод, неоднократно описанный авторами ранее. Суть этого метода состоит в том, что для каждого набора данных строилась зависимостьfoF2 от индекса солнечной активности F10.7 для "эталонного" периода 1957—1980 гг. Эта зависимость, как правило, была хорошо выражена и имела высокий коэффициент определенности R2, превышающий 0.9 и дающий статистическую значимость по критерию Фишера
более 95% (в большинстве случаев--99% и выше).
Пример "эталонной" зависимости для ст. Slough, февраля месяца и 10:00 LT приведен на рис. 1.
Для периода 1985—2009 гг. находились отклонения bfoF2 взятых величин foF2 от указанной эталонной зависимости для каждого года. Так же как и в предыдущих работах авторов, эти величины сглаживались с окном в 11 лет, и полученные сглаженные величины наносились на график как функция года. Наклон линейной аппроксимации полученной зависимости давал искомый тренд к. Описанная процедура выполнялась для указанных трех станций для всех месяцев и четных часов LT.
В ряде случаев при сравнении данных для указанных трех станций мы добавляли также аналогичные данные для ст. Boulder, которая расположена в принципиально другом регионе (Северная Америка). Целью привлечения этой станции была попытка найти заметные региональные различия. К сожалению, в данных ст. Boulder есть много попусков, поэтому построить полную картину суточных и сезонных изменений к для этой станции было невозможно.
Таблица 1. Пример изменения величины 8/оЖ2 для нескольких лет (ст. ЛиИшгиЬ, 10:00 ЕГ, февраль)
Год 8foF2
1986 -0.10
1987 -0.25
1988 -3.01
1989 -0.26
1990 -0.76
В работах авторов [Данилов и Константинова, 2013а; Danilov and Konstantinova, 2013] был предложен еще один метод определения тенденции изменения foF2 в течение последних десятилетий. За его подробным описанием мы отсылаем читателя к указанным работам. Кратко модификация этого метода, использованная в данной работе, состоит в следующем. На рисунок типа рис. 1 наносились также величины foF2 для периода 1998—2009 гг. По ним также проводилась аппроксимация полиномом третьей степени, и для фиксированных величин F10.7 вычислялась разница между "эталонной" кривой и указанной аппроксимацией. Эта разница усреднялась для всех использованных величин F10.7 и обозначалась как А. Она показывает, насколько в среднем величины foF2 для периода 1998—2009 гг. отличаются от соответствующих (т.е. взятых для тех же F10.7) величин для "эталонного" периода 1958—1979 гг. Фактически,
80 120 160 200 240
F10.7
Рис. 1. Зависимость критической частоты/оЖ2 от индекса солнечной активности Ж 10.7 (точки) и аппроксимация этой зависимости полиномом 3-й степени для "эталонного" периода (кривая).
58
ДАНИЛОВ, КОНСТАНТИНОВА
0 -
и
Ii
-0.04 -
-0.08
0.02
0
12 16 LT
20
24
Рис. 2. Зависимость тренда k от местного времени в феврале для четырех станций: Juliusruh (кружки), Rome (ромбы), Slough (треугольники) и Boulder (квадраты).
ч
< -0.02 я
L-
-0.04
-0.06
^^', Январь
_ 4V\ / * А
4 *>
" ч V * •Л Ь' Ж f'f
\ Л * I / 1 i
А У Л ч ! А 1 i А 4 ' / ж
А * / \ 4 ' 1 ж. Г v ' Г
■ 1 1 1 1 1
12 LT
16 20
24
Рис. 3. Зависимость тренда k от местного времени в январе для трех станций: Juliusruh (кружки), Rome (ромбы) и Slough (треугольники).
0
4
8
0
4
8
это — эквивалент тренда к, который мы подробно рассматриваем в данной работе, но вычисленный не в расчете на один год, как в случае к, а как разница между двумя разнесенными во времени периодами. В указанных выше работах авторов было получено, что в подавляющем большинстве исследованных случаев величина А отрицательна. Это позволило авторам заключить, что с периода
0.04
0.02
и
(-Н
0.02
-0.04
0
12 LT
16
20
24
Рис. 4. Зависимость тренда k от местного времени в июне для четырех станций: Juliusruh (кружки), Rome (ромбы), Slough (треугольники) и Boulder (квадраты).
1958—1979 гг. по период 1998—2010 гг. величина foF2 уменьшалась, хотя и по-разному на разных станциях.
Мы использовали описанные выше исходные данные для определения поведения величины А с местным временем и сезоном для трех рассмотренных станций.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Изменения тренда k в течение суток и в течение года связаны друг с другом, поэтому по ходу изложения нам придется несколько раз переходить от суточного хода к сезонному и обратно. На рисунке 2 показано изменение величины k с LT для февраля для четырех станций (для этого месяца удалось построить соответствующие зависимости и для ст. Boulder). Рисунок 2 показывает, что, хотя наблюдается некоторый разброс данных для каждого часа (что неизбежно с учетом разного положения станций и того факта, что используются медианные, т.е. усредненные, данные), в целом характер изменения k в течение суток одинаков для всех станций (включая и ст. Boulder). Наибольшие отрицательные тренды наблюдаются в дневные часы, тогда как в ночные и утренние
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.