Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Long-term variations of [O]/[N2] and [O2]/[O] ratios of dominant gas components of the thermosphere are analyzed for 2003–2013. The variations are estimated using the technique developed by the authors and Irkutsk (52° N, 104° E) digisonde data for heights lower than the ionospheric layer F1 maximum, quiet and disturbed geomagnetic conditions, and different seasons. For summer quiet and disturbed conditions, the [O2]/[O] ratio is found to be maximum during long solar activity minimum.
ratios of dominant gas components of the thermosphere, geomagnetic disturbances, seasonal variations
ВВЕДЕНИЕ
В средней ионосфере, на высотах которой располагается область F1, основным показателем состояния термосферы является газовый состав, характеризующийся в основном отношением концентраций атомных частиц кислорода к молекулам кислорода и азота. Влияние газового состава на величину электронной концентрации N и форму профиля высотного распределения N(h) особенно отчетливо проявляется на высотах ниже 200 км, где на средних широтах обычно хорошо выполняется условие фотохимического равновесия. Поэтому поведение слоя F1 отражает изменения газового состава термосферы [Щепкин и др., 1997; Кушнаренко и др., 1998], выше существенную роль начинают играть процессы переноса ионизованной компоненты ионосферной плазмы.
Благодаря прямой связи с электронной плотностью отношение [O]/[N2] часто используется как параметр для изучения развития зоны возмущений в течение геомагнитной бури и после нее. Имеющиеся методы определения основных газовых компонент и отношения атомарного кислорода к молекулярному азоту [O]/[N2] разработаны в основном для высот выше максимума слоя F2. В работе [Mordovskaya, 2010] использовались спутниковые наблюдения диска Солнца в различных спектральных областях. В работе [Данилов, 1961] количество поглощающих молекул азота в столбе атмосферы выше 200 км было рассчитано по спектральной линии Lγ (λ=972 Å) серии Лаймана.
Отмеченные обстоятельства делают актуальной разработанную методику оценки состояния термосферы с помощью данных ионосферных измерений методом вертикального зондирования [Щепкин и др., 2009]. Кроме того, авторы используют полуэмпирическую модель ионосферы (ПЭМ) [Щепкин и др., 1997], которая описывает связь электронной концентрации N на высотах 120–200 км с характеристиками нейтрального газа термосферы и индексом солнечной активности. Предполагая, что поток ионизирующего солнечного излучения достаточно хорошо описывается моделью спектрального распределения, можно с помощью ПЭМ отслеживать состояние термосферы, определяя как ежедневные, так и осредненные по длительному периоду, например за сезон, относительные концентрации основных газовых частиц в условиях различной солнечной и геомагнитной активности.
С появлением регулярных данных по электронной концентрации, получаемых с помощью цифрового ионозонда в Иркутске с конца 2002 г., эта задача стала реальной. В работе исследовано поведение отношений [O]/[N2] и [O2]/[O], полученных по методике авторов, в течение длительного периода спада, минимума и подъема солнечной активности (2003–2013 гг.). Рассмотрены сезонные изменения отношений в этот период.
1. Danilov A.D. On the molecular nitrogen in the upper atmosphere. Iskusstvennye sputniki Zemli. AN SSSR [Artificial satellites]. 1961, iss. 10, pp. 98-101 (in Russian).
2. Hedin A.E. MSIS-86 Thermospheric Model. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, no. A5, pp. 4649-4662.
3. Kushnarenko G.P., Kuznetsova G.M., Kolpakova O.E. Estimations of ratios of dominant gas components during strong and moderate geomagnetic disturbances in periods of solar activity decay and minimum. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2011, iss. 19, pp. 134-139 (in Russian).
4. Mordovskaya V.G., Ignatyev A.P., Boldyrev S.I., et al. Method of monitoring atomic oxygen and molecular nitrogen composition in the upper atmosphere on XUV images of the Sun. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, no. 5, pp. 679-685.
5. Richards P.G., Fennelly J.A., Torr D.G. EUVAC: A solar EUV flux model for aeronomic calculations. J. Geophys. Res. 1994, May 1, vol. 99, no. A5, pp. 8981-8992.
6. Shchepkin L.A., Kuznetsova G.M., Kushnarenko G.P. Estimations of relative content of oxygen atoms and molecules at the height of 120 km from ionospheric measurements. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2009, vol. 49, no. 4, pp. 350-353 (in Russian).
7. Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Kuznetsova G.M. Equation of the model of the relation between electron density and the thermosphere characteristics with allowance for ionizing radiation flux. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2004, vol. 44, no. 1, pp. 119-122 (in Russian).
8. Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Kuznetsova G.M. Possibility for estimating the relative content of oxygen atoms and molecules from measurements of the electron density in the middle ionosphere. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2008, vol. 48, no. 1, pp. 129-133 (in Russian).
9. Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Kuznetsova G.M., Freizon I.A. Dependence of the middle ionosphere parameters on solar and geomagnetic activities. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1998, vol. 38, no. 5, pp. 72-76 (in Russian).
10. Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Freizon I.A., Kuznetsova G.M. Relation between the electron density in the middle ionosphere and the thermosphere state. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1997, vol. 37, no. 5, pp. 106-113 (in Russian).
11. Solomon S.C., Woods T.N., Didkovsky L.V., et al. Anomalously low solar extreme ultraviolet irradiance and thermospheric density during solar minimum. Geophys. Res. Lett. 2010, vol. 37, L16103. DOI: 10.1029/ 2010GL044468.
12. Tobiska W.K., Eparvier F.G. EUV97: Improvements to EUV irradiance modeling in the soft X-rays and EUV. Solar Phys. 1998, vol. 147, no. 1, pp. 147-159.
13. URL: http://guvi.jhuapl.edu/ (accessed June 7, 2015).
14. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/(accessed June 7, 2015).
