КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНОСФЕРНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ СРЕДНИХ ШИРОТ ПО МНОГОЛЕТНИМ НАБЛЮДЕНИЯМ

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНОСФЕРНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ СРЕДНИХ ШИРОТ ПО МНОГОЛЕТНИМ НАБЛЮДЕНИЯМ  

Бархатова О.М.1,2, Левитин А.Е.3, Додонова И.А.2, Косолапова Н.В.2 

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

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

3. Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), Троицк, Россия 

Разработаны основы методики классификации ионосферной возмущенности, вызванной солнечно-геомагнитной активностью, по данным о критической частоте слоя F2. Для исследования вариаций критической частоты ионосферного слоя F2 были использованы данные за полный цикл солнечной активности с 1975 по 1986 гг. на ионосферной обсерватории Москва (55°45′ с. ш., 37°37′ в. д). Уровень солнечной активности оценивался по значениям индекса F10.7. Геомагнитная возмущенность определялась по индексам Kp*10, Dst и AE. Согласно созданной классификации введен индекс ионосферной активности.

1. Введение

Исследование ионосферной возмущенности в зависимости от уровня гелиогеофизической активности является одной из современных задач геофизики. Одним из эффективных инструментов для диагностики состояния ионосферы являются критические частоты, поскольку в них содержится информация о концентрации электронов и ионов в слоях ионосферы. Среди исследований, в которых анализируется поведение критических частот в различных условиях солнечной и магнитосферной активности, следует выделить работы по классификации ионосферной возмущенности и созданию индексов ионосферной погоды [Kutiev and Muchtarov, 2001; Bremer et al., 2006; Gulyaeva et al., 2008]. Эта проблема является наиболее актуальной, поскольку создание универсального индекса характеристики ионосферной возмущенности позволит осуществлять оперативный контроль и прогноз состояния ионосферы в изменяющихся гелиогеофизических условиях.

В настоящей работе проводится анализ критической частоты ионосферного слоя F2 над станцией Москва в год минимума (1975 г.) и максимума (1982 г.) солнечной активности. Основной целью исследования является создание методики классификации ионосферной возмущенности средних широт и последующая разработка индекса ионосферной активности на основе установленных классов. Преимущество предлагаемого метода заключается в использовании данных «очищенных» критических частот, которые включают в себя только возмущения ионосферы, и не содержат ее долгопериодных вариаций (таких, как годовой, сезонный ход, вариаций, связанных с ротацией Солнца и т.д.). Также из рассмотрения исключается суточный ход критической частоты. Однако в предлагаемой классификации учитывается уровень ионосферной возмущенности, связанный с годом цикла солнечной активности и с глобальной геомагнитной возмущенностью. В этой связи представленные классы можно считать универсальными.

2. Экспериментальные данные и их обработка

Исследование вариаций критической частоты ионосферного слоя F2 было проведено на данных за полный цикл солнечной активности с 1975 по 1986 гг. полученных на ионосферной станции Москва (55°45′ с. ш., 37°37′ в. д) с интервалом в 1 час. Пропуски значений критической частоты были заполнены методом кубической интерполяции. Для определения уровня солнечной активности использовался индекс F10.7. Уровень геомагнитной возмущенности определялся по индексам Kp*10, Dst и AE с временным разрешением 1 час.

Для выявления ионосферной возмущенности, не связанной непосредственно с сезонными и суточными вариациями, выполнялась очистка исходных данных по критической частоте. Для этого была разработана методика обработки критических частот, основанная на спектральном анализе и преобразовании Фурье. Анализ проводился для временных интервалов продолжительностью месяц.

На первом этапе очистки были построены спектры критических частот на основе быстрого преобразования Фурье. На втором этапе из сигнала критической частоты было произведено удаление ряда гармоник с периодами 24 часа и 12 часов и с периодами более 24 часов. Для этого было выполнено разложение исходного сигнала на спектральные составляющие с использованием метода гармонического анализа, подробно описанного в [Яновский, 1978, с. 389-393]. На заключительном этапе очистки производилась свертка сигнала – суммирование оставшихся гармоник. В результате были получены новые «очищенные» значения критической частоты (ОКЧ), которые содержат в себе только вариации, связанные непосредственно с существованием ионосферной возмущенности. На рис. 1 представлены спектры таких ОКЧ для января, марта, июня и сентября 1972 г и 1982 г.

Рис. 1. Примеры спектров «очищенных» критических частот на станции Москва для января, марта, июня и сентября 1975 и 1982 гг.  ОСЬ Y

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 ОСЬ Y

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.

Таблица 1.

Значения индекса IAI были вычислены 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 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