Долготному анализу ионосферной возмущенности на средних широтах

Долготному анализу ионосферной возмущенности на средних широтах

Бархатова О.М.1,2, Додонова И.А. 1,2, Косолапова Н.В.2

1. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ), Нижний Новгород

2. Нижегородский государственный педагогический университет (НГПУ), Нижний Новгород

Введение

Исследование ионосферной возмущенности в зависимости от уровня гелиогеофизической активности является одной из современных задач геофизики.  В работе [Kutiev and Muchtarov, 2001; Bremer et al., 2006; Gulyaeva et al., 2008]  рассматривалась ионосферная возмущенность за 2006 год в период с 14 – 16 декабря.  Создан индекс ионосферной погоды, но он описывает возмущенность ионосферы только в год минимума солнечной активности.  Эта проблема является наиболее актуальной, поскольку создание универсального индекса характеристики ионосферной возмущенности позволит осуществлять оперативный контроль и прогноз состояния ионосферы в изменяющихся гелиогеофизических условиях. Целью нашей работы является исследование долготной зависимости ионосферной возмущенности, создание методики классификации и разработка индекса ионосферной активности на основе установленных классов, а так же учет уровня ионосферной возмущенности, связанной с годом цикла солнечной активности.

2. Экспериментальные данные и их обработка

Отбор данных  критической частоты, осуществлялся со станций вертикального зондирования ионосферного слоя f0F2 за цикл солнечной активности с 1972 – 1986гг., расположенных на одной широте Москва (55° с.ш., 37° в.д.), Свердловск (56° с.ш., 60° в.д.), Томск (56° с.ш., 85° в.д.).  Для создания ионосферного индекса строились Фурье секторы из них вычитались гармоники и  долгопериодные колебвния. На рисунке 1 представленны спектры за январь и март года минимума солнечной активности и максимума.  А на рисунке 1 представлены ОКЧ от долгопериодных вариаций. В дальнейшем мы будет работать с ОКЧ данными.  

3. Связь ионосферной возмущенности с солнечно-геомагнитной активностью

При сопоставлении ОКЧ с индексами F10.7 и Kp*10, которые характеризуют уровень солнечной и геомагнитной активности в рассматриваемом месяце, было обнаружено, что в большинстве рассматриваемых случаев вариации ОКЧ имеют характерные скачки при возрастании индекса Kp*10. Это свидетельствует о наличии связи между полученными вариациями и геомагнитной возмущенностью. Также было обнаружено, что в годы максимума солнечной активности амплитуда вариаций ОКЧ заметно возрастает, что свидетельствует о значительном влиянии солнечного излучения на вариации. На рис. 2 представлены примеры возрастания амплитуд ОКЧ при увеличении значений индекса Kp*10 для февраля 1975 г и апреля 1982 г. Стрелками отмечены скачки в вариациях ОКЧ и соответствующие им скачки индекса Kp*10.

Рис. 2. Примеры возрастания амплитуд ОКЧ при увеличении значений индекса Kp*10 для февраля 1975 г и апреля 1982 г. Стрелками отмечены скачки в вариациях ОКЧ и соответствующие им скачки индекса Kp*10.

Таким образом, изучение вариаций ОКЧ может дать общую картину состояния ионосферы в зависимости от уровня солнечной активности и глобальной геомагнитной возмущенности. Согласно полученным результатам, состояние ионосферы характеризуется непосредственно амплитудами отклонений ОКЧ от нулевого среднего уровня. Однако использование таких вариаций для проведения анализа затруднительно, поскольку они имеют малые периоды и сильно зашумлены фоновыми значениями.

4. Классификация ионосферной возмущенности и индекс ионосферной активности IAI

Для характеристики ионосферной возмущенности, связанной с непосредственным влиянием солнечной и геомагнитной активности, на основе вариаций ОКЧ разработан индекс ионосферной активности (IAI).

На первом этапе разработки индекса, было проведено изучение среднемесячных отклонений приведенных ОКЧ в годы минимума и максимума солнечной активности с учетом значений индекса Dst. Оно позволило выявить основные классы возмущенности ионосферы.

Первый класс возмущенности. Этот класс соответствует спокойному состоянию ионосферы. В год минимума солнечной активности (1975 г.) для каждого месяца рассматривались международные невозмущенные дни, в пределах которых значения индекса Kp были около нуля (Q-days). В каждом месяце таких дней выделено 5 [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/qddays/index.html]. В этот период среднее положительное и отрицательное отклонение ОКЧ от нулевого уровня составляло 0.75 Гц и –0.7 Гц, соответственно. Минимальное значение индекса Dst в рассматриваемые 60 невозмущенных дней года минимума солнечной активности составляло –25 нТл.

Второй класс возмущенности. Этот класс соответствует состоянию ионосферы с малой возмущенностью. В годы минимума солнечной активности рассматривались международные возмущенные дни (D-days). Средние положительные и отрицательные отклонения от нулевого уровня ОКЧ в эти дни составляют 0.8 Гц и –0.75 Гц, соответственно. Минимальное значение индекса Dst в исследуемые возмущенные дни составляет –110 нТл.

Третий класс возмущенности. Этот класс соответствует повышенной возмущенности ионосферы. Для каждого месяца года максимума солнечной активности (1982 г) рассматривались международные невозмущенные дни (Q-days). Средние положительные и отрицательные отклонения ОКЧ от нулевого уровня составляли 1.2 Гц и –1.2 Гц, соответственно. Минимальное значение индекса Dst в исследуемые дни составляет –83 нТл. Отметим, что уровень глобальной геомагнитной возмущенности, оцениваемый по величине Dst, здесь ниже, чем во втором классе. Однако при проведении классификации ионосферной возмущенности следует учитывать не только уровень геомагнитной активности, но и общий уровень солнечной активности. Известно, что в годы максимума значительно возрастает поток радиоизлучения Солнца, что приводит к увеличению ионизации ионосферы и как следствие к возрастанию амплитуд вариаций критических частот.

Четвертый класс возмущенности. Соответствует высокой возмущенности ионосферы. Здесь для рассмотрения были использованы международные возмущенные дни в год максимума солнечной активности. Средние положительные и отрицательные значения отклонений ОКЧ от нулевого уровня составляли 1.5 Гц и –1.5 Гц, соответственно. Минимальное значение индекса Dst в рассматриваемые периоды составляет –325 нТл. Отметим, что при значительном возрастании геомагнитной возмущенности по сравнению со вторым и третьим классами, средние амплитуды ОКЧ возрастают незначительно. Это может объясняться отсутствием непосредственной связи между среднеширотной ионосферой и магнитосферными токами.

Пятый класс возмущенности. Соответствует состоянию ионосферы с экстремальной возмущенностью. В этот класс попадают события, для которых амплитуды отклонений ОКЧ от нулевого уровня более 1.5 Гц или менее –1.5 Гц.  

Выделенные классы ионосферной возмущенности были положены в основу создания индекса ионосферной активности IAI. Значения этого индекса учитывают положительные и отрицательные вариации ОКЧ в пределах каждого из указанных классов возмущенности. В таблице 1 значениям каждого класса возмущенности присвоены величины индекса IAI.

Значения индекса IAI были вычислены для станций Москва, Свердловск и Томск, для всех сезонов в годы минимума и максимума солнечной активности и сопоставлены с глобальными геомагнитными возмущениями, характеризуемыми индексом Dst и возмущениями в авроральной области, характеризуемыми индексом AE. На верхней панели рис. 3 представлены примеры вариаций IAI для апреля 1975 г и июня 1982 г. На средней панели показано соответствующее изменение индекса Dst, на нижней панели – вариации индекса AE. Серым цветом отмечены магнитные бури, в пределах которых наблюдались интенсивные авроральные возмущения и повышенные значения индекса IAI.

Рис. 3. Примеры вариаций индекса IAI для апреля 1975 г и июня 1982 г (верхняя панель); синхронные вариации индекса Dst (средняя панель); синхронные вариации индекса AE (нижняя панель). Серым цветом отмечены магнитные бури, в пределах которых наблюдались интенсивные авроральные возмущения и повышенные значения индекса IAI  

Сопоставление значений индекса IAI со значениями индексов Dst и AE (см. рис. 3) показывает, что во времена развития геомагнитных возмущений наблюдаются высокие отрицательные значения IAI. Для двух геомагнитных возмущений в апреле 1975 г максимальное отрицательное значение IAI = –2. Характерно, что в этот период имеет место всплеск активности в авроральной области – значения индекса AE более 1000 нТл. В июне 1982 г наблюдаются несколько геомагнитных бурь малой интенсивности. Во время первой бури максимальное отрицательное значение индекса IAI = –4, что соответствует классу экстремальных возмущений в ионосфере. Отметим, что в этот период имели место интенсивные авроральные возмущения в виде последовательности суббурь, для каждой из которых значения индекса AE превышали 1000 нТл. Для второй магнитной бури значение индекса IAI = –3. В пределах рассматриваемого интервала активность авроральной области также повышена – значения индекса AE ~ 700 нТл.

Таким образом, во времена развития магнитных бурь, которые сопровождаются интенсивными суббурями в авроральной области, наблюдаются высокие отрицательные значения индекса IAI, которые свидетельствуют о понижении концентрации ионосферы средних широт в эти периоды.

5. Заключительные выводы

В представленной работе выполнен анализ значений «очищенных» критических частот (ОКЧ) ионосферного слоя F2 над станцией Москва, Свердловск и Томск для года минимума (1975 г.) и максимума (1982 г.) солнечной активности. Сопоставление вариаций ОКЧ для каждого сезона в течение двух лет с вариациями индекса Kp*10 показывает их согласованность. Наблюдаются одновременные увеличения ОКЧ и Kp*10 как в год минимума, так и в год максимума солнечной активности. Это означает, что вариации ОКЧ достаточно полно отражают состояние среднеширотной ионосферы в различных гелиогеофизических условиях.

Изучение средних значений вариаций ОКЧ в международные невозмущенные и возмущенные дни для 1975 и 1982 гг позволило выделить пять классов ионосферной возмущенности, которые соответствуют спокойному состоянию ионосферы, состоянию ионосферы с малой, повышенной, высокой и экстремальной возмущенностью. На основе выделенных классов был создан индекс ионосферной активности IAI, который принимает значения от 0 до ±4 в зависимости от уровня ионосферной возмущенности.

Анализ полученных значений индекса IAI для года минимума и максимума солнечной активности показывает, что увеличение абсолютных значений индекса происходит, как правило, при возрастании глобальной геомагнитной и/или авроральной возмущенности. Это свидетельствует о достоверности использования разработанного индекса для характеристики ионосферной активности в независимости от сезона. Кроме того, по знаку индекса IAI можно судить о понижении или повышении концентрации ионосферного слоя F2, поскольку значения рассматриваемого индекса соответствуют реальным колебаниям критической частоты среднеширотной ионосферы.

This work is executed at partial support under grant of the RFBR 09-05-00495, and also program Ministry of Education and Science «Development of higher school scientific potential (2009-2011, project N 10266)».

Литература

Kutiev, I. and Muchtarov, P. Modeling of midlatitude F-region response to geomagnetic activity. // J. Geophys. Res., 106, 15 501– 15 509, 2001

Bremer, J., Cander, Lj. R., Mielich, J., and Stamper, R.: Derivation and test of ionospheric activity indices from real-time ionosonde observations in the European region. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy., 68, 2075–2090, 2006

Gulyaeva T. L., Stanislwska I., Tomasik M. Ionospheric weather: cloning missed foF2 observations for derivation of variability index. // Ann. Geophys., 26, 315–321, 2008