УДК 550.388.2
ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ/СУББУРЬ НА ИОНОСФЕРУ.
Ч. 1. (Обзор) © 2013 г. Д. В. Благовещенский
Санкт-Петербургский университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург
e-mail: dvb@aanet.ru Поступила в редакцию 20.02.2012 г. После доработки 23.11.2012 г.
Исследован результат воздействия магнитосферных бурь и суббурь на ионосферу — так называемый главный эффект. Он проявляется в том, что критическая частота и высота /-области во время возмущения изменяются следующим специфическим образом. Сначала происходит рост критической частоты перед активной фазой бури/суббури, затем ее спад во время активной фазы и снова рост после активной фазы. Высота /-области, наоборот, возрастает во время активной фазы и уменьшается после ее окончания. Предложен подход для краткосрочного прогнозирования (2—3 ч) развития бурь/суббурь как главных элементов возмущенной космической погоды.
DOI: 10.7868/S0016794013030036
1. ВВЕДЕНИЕ
Рассматриваемые ниже геомагнитные возмущения имеют естественное (солнечное) происхождение. Они, как известно, наиболее существенно проявляются в высоких широтах, поэтому все дальнейшие рассмотрения будут относиться преимущественно к полярным и субполярным регионам.
Физика околоземного пространства, особенно с точки зрения космической погоды, в настоящее время является областью значительного внимания ученых-исследователей и относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Представления о космической погоде, т.е. о динамических, сильно меняющихся условиях в околоземной среде, включают в себя условия на Солнце, в межпланетном пространстве, системе магнитосфера—ионосфера—нижняя атмосфера Земли [Ak-maev, 2011]. Солнечные вспышки, пятна и т.п. вызывают в околоземном пространстве резкие изменения. Неблагоприятные условия космической погоды влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов космической погоды.
Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли. Классическая картина ионосферного возмущения подтверждается многочисленными наблюдениями [Buonsanto, 1999; Gonzales et al., 1994; Prölss et al., 1991; Rodger et al., 1989; Yeh et al., 1994]. Однако физическая природа многих механизмов еще понятна недо-
статочно. Ионосферное возмущение продолжает оставаться наиболее сложным явлением в верхней атмосфере [Buonsanto, 1999; Gonzales et al., 1994; LaStoviCka, 2002]. Эффекты бурь/суббурь в ионосфере зависят от большого числа параметров, таких как местное время, широта, сезон, фаза солнечной активности, интенсивность бурь/суббурь и ряда других. В настоящее время для полного понимания эффектов бурь и суббурь в параметрах сол-нечно-магнитосферно-ионосферного взаимодействия прилагается много усилий с использованием самых современных методов и средств. Это подтверждается содержанием таких проектов, как "Интербол" [Галеев и др., 1996], Space Weather [Baker, 1996; Buonsanto, 1999] и др.
Цель настоящего обзора состоит в том, чтобы осветить особенности воздействия геомагнитных бурь/суббурь на ионосферу. Однако здесь имеет место определенная специфика. Дело в том, что данный обзор является первой частью полного обзора, состоящего из двух частей. Вторая его часть будет в дальнейшем посвящена воздействию бурь/суббурь на распространение ДКМ радиоволн (КВ). Поэтому анализ влияния бурь/суббурь на ионосферу проводится не многопланово (в общем виде), а с точки зрения вариаций тех ионосферных параметров, которые наиболее существенны при распространении КВ, — критических частот, предельных частот, высот слоев и т.п. Здесь изложены лишь основные особенности высокоширотной ионосферы, поскольку не все стороны процессов, связанных с геофизическими возмущениями в высоких широтах, к настоящему времени поняты и объяснены. Значительное внимание уделено геофизическим вопросам, так как
именно они являются первопричиной всех аномальных явлений, приводящих, например, к ухудшению условий распространения ионосферных радиоволн.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДЕЙСТВИЙ БУРЬ/СУББУРЬ НА ИОНОСФЕРУ
Активные области на Солнце, такие как вспышки и корональные дыры, являются, как известно, причиной большинства нестационарных процессов в межпланетной среде и магнитосфере Земли. Энергия солнечных возмущений выделяется в виде электромагнитного и корпускулярного излучений, ударных волн и выбросов вещества. Начало взаимодействия ударной волны с магнитосферой определяет момент зарождения ее возмущения, появляется внезапное начало магнитных бурь SSC в виде скачка #-компонен-ты геомагнитного поля за счет поля токов, текущих по поверхности магнитосферы. Для магнитных бурь характерна чрезвычайно высокая возму-щенность магнитосферы [Buonsanto, 1999; Gonzalez et al., 1994; Khazanov, 2011]. Ионосферная буря — это глобальное возмущение ПЭС, электронной концентрации в максимуме /-области и высоты максимума во время геомагнитной бури в результате различных динамических и химических процессов: высыпания энергичных частиц, изменения электрических полей и токовых систем, движущихся атмосферных возмущений, термосферной циркуляции, изменения состава и т.д. Несмотря на то, что ионосферная буря является объектом исследования в течение десятилетий, до сих пор нет полного объяснения ее эффектов. Состояние ионосферы во время бури зависит от большого числа переменных, таких как местное время, геомагнитная широта, сезон, солнечная активность, время начала бури, время бури (время, прошедшее с начала бури), интенсивность бури и предбу-ревой активности (большие бури редко изолированы). Кроме того физика, контролирующая глобальную ионосферу и атмосферу, осложняется тем, что геомагнитные возмущения недостаточно предсказуемы. В настоящее время статистическая картина бури уже в определенной степени известна. Длительные уменьшения NmF2 и ПЭС во время главной фазы бури, особенно на средних широтах, можно считать главным признаком бури в /2-слое ионосферы [Ban et al., 2011]. Перед этой отрицательной фазой обычно наблюдается положительная, она может появиться во время главной фазы на низких широтах и зимой — на средних. Эта классическая картина ионосферной бури основана на статистическом исследовании, сделанном в обзорах [Buonsanto, 1999; Данилов, 1985] и подтверждена многими наблюдениями, например, [Goncharenko et al., 2007; Благовещен-
ский, 2011]. К сожалению, она редко совпадает с реальными отдельными бурями. Фазу не всегда можно определить, и иногда одна из них полностью отсутствует. Наиболее полно ионосферные бури исследованы в работе [Prolls et al., 1991], где была сделана попытка классифицировать эффекты ионосферных бурь на субавроральных широтах в соответствии с их предполагаемыми источниками по данным наземных ионозондов. Выделены следующие эффекты: 1) положительные эффекты бурь, вызванные движущимися атмосферными возмущениями; 2) положительные эффекты, вызванные изменением крупномасштабной циркуляции термосферного ветра; 3) положительные эффекты, вызванные смещением к экватору кольца авроральной ионизации; 4) отрицательные эффекты, вызванные перемешиванием состава нейтрального газа; 5) отрицательные эффекты, вызванные смещением к экватору области провала. В работе [Cander and Mihajlovic, 1998] проведен анализ ионосферных эффектов геомагнитных бурь в европейском регионе, где критическая частота слоя F2 оказывается много выше или ниже медианного уровня в зависимости от сезона и времени начала возмущения, и создана модель прогнозирования поведения ионосферных параметров во время бури. Глобальный отклик на магнитную бурю по данным сети ионо-зондов исследовался в работе [Yeh et al., 1994]. Были отмечены низкоширотные сияния на большом пространстве в северном и южном полушариях. Длительное уменьшение ионизации на средних широтах есть наиболее выраженный эффект бури. Зона возмущений простиралась к экватору до геомагнитной широты менее 10° во время максимума главной фазы, вызывая временное подавление экваториальной аномалии. Наблюдались краткосрочные положительные фазы при появлении внезапного начала (SSC) и главной фазы бури после захода Солнца. В зависимости от локального времени SSC реакция ионосферы была различной в разных долготных секторах.
В отличие от бурь магнитосферные суббури [Lyons, 1996] представляют собой быстропротекаю-щие процессы, при которых существенное, но далекое от максимума количество энергии, полученной из взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, поступает в авроральную ионосферу и магнитосферу. Суббури имеют место, если скорость накапливаемой в магнитосфере энергии значительно перекрывает скорость потерь. Проявлениями маг-нитосферной суббури являются: магнитная суббуря, суббуря в полярных сияниях, ионосферная суббуря и т.д. Магнитная суббуря, или бухта в записи горизонтальной составляющей геомагнитного поля Н, является следствием развития авроральных элек-троджетов, или струйных токов, текущих на высотах области Е ионосферы в зоне полярных сияний. Отрицательные бухтообразные возмущения про-
исходят утром и ночью за счет западного элек-троджета, а положительные — вечером за счет восточного электроджета. Интенсивной и изолированной суббуре предшествует поворот Б1 ММП к югу, после чего в магнитосфере усиливается крупномасштабное электрическое поле конвекции. Период нарастания возмущенности от момента появления признаков до начала взрывной фазы является предварительной фазой суббури. А началом суббури считается момент приближения неоднородного потока солнечного ветра к границам магнитосферы. Плазма через полярные кас-пы юга и севера проникает вплоть до уровня ионосферы, а через входной слой — внутрь магнитосферы. Происходит рост интенсивности вторгающихся частиц в дневные каспы на полуденных широтах ~78°. Затем область возмущения распространяется к высоким и низким широтам, а также вдоль вечерней и утренней сторон аврорального овала в виде двух потоков до их встречи в полуночном секторе (ч
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.