Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Analysis of similarities and differences between the polar and midlatitude ionosphere in the East Siberian sector was performed with local ionosphere models. The local models were constructed using 6-year (December 2002 — December 2008) continuous measurements made with ionosondes located in Norilsk (69.4 N, 88.1 E) and Irkutsk (52.3 N, 104.3 E). The models describe variations of regular ionospheric parameters in terms of diurnal and seasonal variations under low solar activity and their changes with increasing solar activity. The paper discusses regular variations of the main F2-layer parameters: the electron density maximum (NmF2) and the peak height (hmF2). Special attention has been given to the manifestation of such phenomena as the winter anomaly, semiannual anomaly, summer evening anomaly, and formation of the winter night peak at the polar and mid-latitude stations. The specific diurnal and seasonal behavior of hmF2 in Norilsk is explained by the maximum magnetic inclination and the lowest geomagnetic latitude compared to other polar stations located at the same geographic latitude.
polar and midlatitude ionosphere, local model, ionosonde
ВВЕДЕНИЕ
Целью работы является сравнение регулярных вариаций параметров F2-слоя полярной и среднеширотной ионосферы в восточно-сибирском секторе. Под регулярными подразумеваются вариации, связанные с суточным и сезонным ходом и изменениями в цикле солнечной активности. Сравнение осуществляется на основе сопоставления данных локальных эмпирических моделей в терминах суточно-сезонного хода ионосферного параметра при низкой солнечной активности и его изменения с возрастанием солнечной активности. Метод создания локальных моделей описан в следующем разделе.
В качестве ионосферных характеристик выбраны основные параметры F2-слоя: максимум электронной концентрации NmF2 и высота максимума hmF2. Локальные модели построены на основе непрерывных шестилетних измерений (декабрь 2002 г. – декабрь 2008 г.) на ионозондах, расположенных в Норильске (географические координаты: 69.4° N, 88.1° E; геомагнитные координаты: 60° N, 166° E) и Иркутске (географические координаты: 52.3° N, 104.3° E; геомагнитные координаты: 42° N, 177° E).
По геомагнитной широте (ГШ) ионосфера может быть условно разделена на три зоны: низкоширот-ную (ГШ<30°), среднеширотную (30°<ГШ<60°) и высокоширотную, или полярную (ГШ>60°) [Hunsucker, Hargreaves, 2003; Schunk, Nagy, 2009]. В среднеширотной ионосфере суточно-сезонные вариации обусловлены изменением скорости образования ионов, пропорциональной косинусу зенитного угла Солнца, скорости рекомбинации ионов, зависящей от состава нейтральных частиц, а также дрейфом плазмы, обусловленным действием амбиполярной диффузии и нейтрального ветра. В свою очередь, состав нейтральных частиц определяется глобальной циркуляцией и температурой термосферы [Rishbeth, 1998]. В высокоширотной ионосфере к вышеупомянутым факторам добавляется высыпание частиц и дрейф плазмы, обусловленный воздействием электрического поля магнитосферного происхождения [Hunsucker, Hargreaves, 2003; Schunk, Nagy, 2009]. Одним из следствий дрейфа плазмы является формирование главного ионосферного провала [Spiro et al., 1978].
Региональной особенностью восточно-сибирского сектора ионосферы является то, что он максимально удален от магнитного полюса Земли по сравнению с другими долготными секторами. Следствием такого расположения является существенно разное проявление зимней и полугодовой аномалий по сравнению с североамериканским сектором ионосферы, максимально приближенным к магнитному полюсу Земли. По этой причине в работе особое внимание уделено анализу таких явлений, как зимняя, полугодовая, летняя вечерняя аномалии и формирование ночного максимума в зимней ночной ионосфере.
1. Altadill D., Arrazola D., Blanch E., Buresova D. Solar activity variations of ionosonde measurements and modeling results. Adv. Space Res. 2008, vol. 42, no. 4, pp. 610-616.
2. Bellchambers W.H., Piggott W.R. Ionospheric measurements made at Halley Bay. Nature. 1958, vol. 182, pp. 1596-1597.
3. Bilitza D. International reference ionosphere 2000. Radio Sci. 2001, vol. 36, no. 2, pp. 261-275.
4. Bilitza D., Reinisch B. International reference ionosphere 2007: improvements and new parameters. J. Adv. Space Res. 2008. vol. 42, no. 4, pp. 599-609.
5. Blanch E., Arrazola D., Altadill D., Buresova D., Mosert M. Improvement of IRI B0, B1 and D1 at mid-latitudes using MARP. Adv. Space Res. 2007, vol. 39, no. 5, pp. 701-710.
6. Burns A.G., Solomon S.C., Wang W., Jee G., Lin C.H., Rocken C., Kuo Y.H. The summer evening anomaly and conjugate effects. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A01311, DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015648.
7. Farelo A.F., Herraiz M., Mikhailov A.V. Global morphology of night-time hmF2 enhancements. Ann. Geophys. 2002, vol. 20, pp. 1795-1806.
8. Hunsucker R.D., Hargreaves J.K. The High-Latitude Ionosphere and Its Effects on Radio Propagation. New York, Cambridge University Press, 2003, 640 p.
9. Jakowski N., Förster M. About the nature of the Nighttime Winter Anomaly effect (NWA) in the F-region of the ionosphere. Planet. Space Sci. 1995, vol. 43, pp. 603-612.
10. Karpachev A.T., Deminov M.G., Afonin V.V. Model of the mid-latitude ionospheric trough on the base of Cosmos-900 and Intercosmos-19 satellites data. Adv. Space Res. 1996, vol. 18, no. 6. pp. 221-230.
11. Karpachev, A.T., Gasilov, N.A., Karpachev, O.A. Morphology and causes of the Weddell Sea anomaly. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2011, vol. 51, no. 6, pp. 812-824 (in Russian).
12. Khmyrov G.M., Galkin I.A., Kozlov A.V., Reinisch B.W., McElroy J., Dozois C. Exploring digisonde ionogram data with SAO-X and DIDBase. Radio Sounding and Plasma Physics: AIP Conf. Proc. 2008, 974, pp. 175-185.
13. Klimenko V.V., Karpachev A.T., Klimenko M.V. Mid-latitude anomalies in the diurnal variation of electron density in the ionosphere. Khimicheskaya Fizika [Russian J. Chemical Physics]. 2013, vol. 7, no. 5, pp. 611-619 (in Russian).
14. Kohl H., King J.W., Eccles D. Some effects of neutral air winds on the ionospheric F-layer. J. Atmos. Terr. Phys. 1968, vol. 30, no. 10, pp. 1733-1744.
15. 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, no. 2, RS2008. DOI:https://doi.org/10.1029/2004RS003106.
16. Lin C.H., Liu C.H., Liu J.Y., Chen C.H., Burns A.G., Wang W. Midlatitude summer nighttime anomaly of the ionospheric electron density observed by FORMOSAT-3/COSMIC. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A03308. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014084.
17. Mamrukov A.P. Evening anomalous enhancement of ionization in F region. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1971, vol. 11, no. 6, pp. 984-988 (in Russian).
18. Mikhailov A.V., Forster M., Leschinskaya T.Y. On the mechanism of the post-midnight winter NmF2 enhancements: dependence on solar activity. Annales Geophysicae. 2000, vol. 18, no. 11, pp. 1422-1434.
19. Oinats A.V., Kotovich G.V., Ratovsky K.G. Comparison of the main ionospheric characteristics measured by the Digisonde at Irkutsk in 2003 with IRI 2001 model data. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, no. 5, pp. 1018-1022.
20. Polekh N.M., Kurkin V.I., Zolotukhina N.A., Chernigovskaya M.A. On the connection between nighttime winter ionization increase in midlatitude F2 layer and stratospheric warmings. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2015, vol. 22, pp. 41-46 (in Russian).
21. Ratovsky K.G., Oinats A.V. Local empirical model of ionospheric plasma density derived from digisonde measurements at Irkutsk. Earth Planets Space. 2011, vol. 63, no. 4, pp. 351-357.
22. Ratovsky K.G., Oinats A.V., Medvedev A.V. Diurnal and seasonal variations of F2 layer characteristics over Irkutsk during the decrease in solar activity in 2003-ё2006: Observations and IRI-2001 model predictions. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, no. 11, pp. 1806-1811.
23. Ratovsky K.G., Oinats A.V., Medvedev A.V. Regular features of the polar ionosphere characteristics from digisonde measurements over Norilsk. Adv. Space Res. 2013, vol. 51, no. 4, pp. 545-553.
24. Reinisch B.W., Haines D.M., Bibl K., Galkin I., Huang X., Kitrosser D.F., Sales G.S., Scali J.L. Ionospheric sounding support of OTH radar. Radio Sci. 1997, vol. 32, no. 4, pp. 1681-1694.
25. Reinisch B.W., Galkin I.A., Khmyrov G., Kozlov A., Kitrosser D.F. Automated collection and dissemination of ionospheric data from the digisonde network. Adv. Radio Sci. 2004, vol. 2, pp. 241-247.
26. Rishbeth H. How the thermospheric circulation affects the ionospheric F2-layer. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 1998, vol. 60, no. 14, pp. 1385-1402.
27. Rishbeth H., Sedgemore-Schulthess K.J.F., Ulich T. Semiannual and annual variations in the height of the ionospheric F2-peak. Ann. Geophys. 2000a, vol. 18, no. 3, рр. 285-299.
28. Rishbeth H., Muller-Wodarg I.C.F., Zou L., Fuller-Rowell T.J., Millward G.H., Moffett R.J., Idenden D.W., Aylward A.D. Annual and semiannual variations in the ionospheric F2-layer: II. Physical discussion. Ann. Geophys. 2000b, vol. 18, no. 8, pp. 945-956.
29. Schunk R.W., Nagy A. Ionospheres: Physics, Plasma Physics and Chemistry. New York, second ed. Cambridge University Press, 2009, 628 p.
30. Spiro R.W., Heelis R.A., Hanson W.B. Ion convection and the formation of the mid-latitude F region ionization trough. J. Geophys. Res. 1978, vol. 83, no. A9, pp. 4255-4264.
31. Thampi S.V., Balan N., Lin C., Liu H., Yamamoto M. Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA) - observations and model simulations. Ann. Geophys. 2011, vol. 29, no. 1, pp. 157-165.
32. Torr M.R., Torr D.G. The seasonal behaviour of the F2-layer of the ionosphere. J. Atmos. Terr. Phys. 1973, vol. 35, no. 2, pp. 2237-2251.
33. Zhang S.-R., Fukao S., Oliver W.L., Otsuka Y. The height of the maximum ionospheric electron density over the MU radar. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 1999, vol. 61, no. 18, pp. 1367-1383.
34. Zhang S.-R., Holt J.M., Zalucha A.M., Amory-Mazaudier C. Mid-latitude ionospheric plasma temperature climatology and empirical model based on Saint Santin incoherent scatter radar data from 1966-1987. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A11311. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010709.
35. Zhang S.-R., Holt J.M., van Eyken A.P., McCready M., Amory-Mazaudier C., Fukao S., Sulzer M. Ionospheric local model and climatology from long-term databases of multiple incoherent scatter radars. Geophys. Res. Lett. 2005, vol. 32, no. 20, pp. L20102. DOI:https://doi.org/10.1029/2005GL023603.
36. Zou L., Rishbeth H., Muller-Wodarg I.C.F., Aylward A.D., Millward G.H., Fuller-Rowell T.J., Idenden D.W., Moffett R.J. Annual and semiannual variations in the ionospheric F2-layer: I. Modelling. Ann. Geophys. 2000, vol. 18, no. 8, pp. 927-944.
