Moskva, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Using hourly data (1958–1992) from Irkutsk ionosonde station, we analyzed properties of variability of the F2-layer maximum density, Nm, under different levels of the solar and geomagnetic activity. The standard deviation s(x) of Nm fluctuations relative to the quiet level (x=(Nm/Nm0–1)·100 %), and the average shift of these fluctuations x-ave were used as characteristics of this variability. For this purpose, the empirical model of the F2-layer maximum density for quiet magnetic conditions, Nm0, was constructed. The Nm variability was found to depend weakly on the solar activity level; in the first approximation, this dependence can be neglected. The Nm variability dependence on geomagnetic activity is among the principal ones, along with the dependences on local time and season. In general, dispersion of Nm fluctuations under quiet conditions is smaller than that during the periods of high geomagnetic activity. During the periods of high geomagnetic activity, however, the dispersion does not increase with the further growth of this activity, while the absolute value of shift x-ave (which is mainly negative under high geomagnetic activity) still increases with growing geomagnetic activity. As a result, if this activity is high enough, the condition |x-ave|>|s(x)| can be fulfilled.
ionosphere, F2-layer maximum, electron density, variability
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость концентрации максимума F2-слоя ионосферы Nm (или критической частоты fоF2~Nm1/2 ) исследовалась неоднократно [Forbes et al., 2000; Rishbeth, Mendillo, 2001; Araujo-Pradere et al., 2005; Fotiadis, Kouris, 2006; Altadill, 2007; Zhang, Holt, 2008; Pirog et al., 2011; Deminov et al., 2011, 2013; Ratovsky et al., 2014]. В этих работах изменчивость Nm оценивалась по величине стандартного (среднеквадратичного) отклонения Nm относительно фона. В качестве фона выбирались средние за месяц значения Nm или foF2 [Forbes et al., 2000; Rishbeth, Mendillo, 2001; Araujo-Pradere et al., 2005], локальные модели средних за месяц значений высотного распределения концентрации электронов [Altadill, 2007; Zhang, Holt, 2008], медианы Nm или foF2 за 15 дней для периодов низкой солнечной и геомагнитной активности [Deminov et al., 2011, 2013], медианы Nm за 27 дней [Ratovsky et al., 2014] или медианы foF2 за месяц [Fotiadis, Kouris, 2006].
Среднее за месяц значение и медиана Nm зависят от геомагнитной активности. Однако эта зависимость обычно неизвестна, поэтому для сравнительных оценок изменчивости Nm при разных уровнях геомагнитной активности этих характеристик ионосферы недостаточно. Например, использование средних за месяц значений Nm в качестве фона делает невозможной оценку среднего сдвига (систематического изменения) концентрации электронов в максимуме F2-слоя при изменении геомагнитной активности. Поэтому задачу корректного определения свойств изменчивости Nm при разных уровнях геомагнитной активности нельзя считать решенной.
Более точный подход к оценке изменчивости электронной концентрации этого максимума связан с использованием в качестве фона средних значений Nm для низкой геомагнитной активности. Получение таких значений Nm сопряжено с определенными трудностями, поскольку продолжительные периоды низкой геомагнитной активности наблюдаются нечасто (см., например, [Rishbeth, Mendillo, 2001]). Один из путей решения этой проблемы связан с построением локальной эмпирической модели Nm (или foF2) для низкой геомагнитной активности по данным конкретной станции за интервал не менее 30 лет, поскольку число магнитоспокойных дней в таком большом массиве данных обычно является достаточным для построения модели [Deminov et al., 2009]. Такая модель позволила получить корректные оценки изменчивости foF2 на средних широтах при низкой геомагнитной активности [Deminov et al., 2009]. Тем не менее в первом варианте модели была принята линейная зависимость foF2 от эффективного индекса солнечной активности [Deminov et al., 2009], что не позволяло использовать ее для анализа изменчивости foF2 при высокой солнечной активности.
Целью данной работы было установление статистических свойств флуктуаций Nm относительно спокойного уровня при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности по данным конкретной среднеширотной ионосферной станции. Одним из этапов исследования было получение локальной эмпирической модели Nm для низкой геомагнитной активности, которая была бы применима при любом уровне солнечной активности.
Ниже представлены результаты анализа данных ст. «Иркутск» (52.5° N, 104° E) за 1958-1992 гг. Эти результаты приведены в следующей последовательности: локальная модель Nm для спокойных условий, статистические свойства флуктуаций Nm относительно магнитоспокойных условий при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности в полдень и полночь, обсуждение этих свойств и выводы.
1. Altadill D. Time/altitude electron density variability above Ebro, Spain. Adv. Space Res. 2007, vol. 39, pp. 962-969.
2. Araujo-Pradere E.A., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V. STORM: An empirical Storm-Time Ionospheric Correction Model. 1. Model description. Radio Sci. 2002, vol. 37, pp. 1070. DOI:https://doi.org/10.1029/2001RS002467.
3. Araujo-Pradere E.A., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V., Bilitza D. Characteristics of the ionospheric variability as a function of season, latitude, local time, and geomagnetic activity. Radio Sci. 2005, vol. 40, RS5009. DOI:https://doi.org/10.1029/2004RS003179.
4. Bilitza D., McKinnell L.-A., Reinisch B., Fuller-Rowell T. The international reference ionosphere today and in the future. J. Geodesy. 2011, vol. 85, pp. 909-920.
5. Buonsanto M.J. Ionospheric storms: A review. Space. Sci. Rev. 1999, vol. 88, pp. 563-601.
6. Deminov M.G. Zherebtsov G.A., Pirog O.M., Shubin V.N. Regular changes in the critical frequency of the F2 layer of the quiet midlatitude ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, pp. 374-380.
7. Deminov M.G., Deminova G.F., Zherebtsov G.A., Pirog O.M., Polekh N.M. Variability of parameters of the F2-layer maximum in the quiet midlatitude ionosphere under low solar activity: 1. Statistical properties. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, pp. 348-355.
8. Deminov M.G., Deminova G.F., Zherebtsov G.A., Polekh N.M. Statistical properties of variability of the quiet ionosphere F2-layer maximum parameters over Irkutsk under low solar activity. Adv. Space Res. 2013, vol. 51, pp. 702-711.
9. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000, vol. 62, pp. 685-693.
10. Fotiadis D.N., Kouris S.S. A functional dependence of foF2 variability on latitude. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, pp. 1023-1028.
11. Krinberg I.A., Tashchilin A.V. Ionosfera i plazmosfera [Ionosphere and Plasmosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 189 p. (in Russian).
12. Lei J., Liu L., Wan W., Zhang S.-R. Variations of electron density based on long-term incoherent scatter radar and ionosonde measurements over Millstone Hill. Radio Sci. 2005, vol. 40, RS2008. DOI:https://doi.org/10.1029/2004RS003106.
13. Liu L., Wan W., Ning B., Pirog O.M., Kurkin V.I. Solar activity variations of the ionospheric peak electron density. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A08304. DOI:https://doi.org/10.1029/2006 JA011598.
14. Ma R., Xu J., Wang W., Yuan W. Seasonal and latitudinal differences of the saturation effect between ionospheric NmF2 and solar activity indices. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A10303. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014353.
15. Mikhailov A.V., Perrone L. On the mechanism of seasonal and solar cycle NmF2 variations: A quantitative estimate of the main parameters contribution using incoherent scatter radar observations. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A03319. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA016122.
16. Pirog O., Deminov M., Deminova G., Zherebtsov G., Polekh N. Peculiarities of the nighttime winter foF2 increase over Irkutsk. Adv. Space Res. 2011, vol. 47, pp. 921-929.
17. Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V. Diurnal, seasonal and solar activity pattern of ionospheric variability from Irkutsk Digisonde data. Adv. Space Res. 2014, DOI: org/10.1016/j.asr.2014.08.001.
18. Richards P.G., Fennelly J.A., Torr D.G. EUVAC: A solar EUV flux model for aeronomic calculations. J. Geophys. Res. 1994, vol. 99, pp. 8981-8992.
19. Richards P.G., Woods T.N., Peterson W.K. HEUVAC: A new high resolution solar EUV proxy model. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, pp. 315-322.
20. Rishbeth H., Mendillo M. Patterns of F2-layer variability. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001, vol. 63, pp. 1661-1680.
21. Taylor J.R. Vvedenie v teoriyu oshibok [An introduction to error analysis]. Moscow, Mir Publ., 1985. 272 p. (Eng. ed.: Taylor J.R. An introduction to error analysis. California, Univer. Sci. Books, 1982).
22. Wrenn G.L. Time-weighted accumulations ap(τ) and Kp(τ). J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, pp. 10125-10129.
23. Wrenn G.L., Rodger A.S. Geomagnetic modification of the mid-latitude ionosphere - Toward a strategy for the improved forecasting of foF2. Radio Sci. 1989, vol. 24, pp. 99-111.
24. Zhang S.-R., Holt J.M. Ionospheric climatology and variability from long-term and multiple incoherent scatter radar observations: Variability. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 1525-1537.
25. Available at: http://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-expla-nation.
