Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 97195 10.12737/szf-114202507 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Numerical modeling of spatial perturbations of the ionosphere from local tropospheric sources Численное моделирование пространственных возмущений ионосферы от локальных тропосферных источников Карпов Иван Викторович Karpov Ivan Viktorovich ivkarpov@inbox.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Бессараб Федор Семенович Bessarab Fedor Semenovich FBESSARAB@kantiana.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Борчевкина Ольга Павловна Borchevkina Olga Pavlovna opsuslova@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Калининград Россия West Department of Pushkov Institute of Terrestrial Mag-netism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS Kaliningrad Russian Federation Балтийский федеральный университет имени И. Канта Калининград Россия I. Kant Baltic Federal University Kaliningrad Russian Federation Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Калининград Россия West Department of Pushkov Institute of Terrestrial Mag-netism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS Kaliningrad Russian Federation Балтийский федеральный университет имени И. Канта Калининград Россия I. Kant Baltic Federal University Kaliningrad Russian Federation Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Калининград Россия West Department of Pushkov Institute of Terrestrial Mag-netism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS Kaliningrad Russian Federation Балтийский федеральный университет имени И. Канта Калининград Россия I. Kant Baltic Federal University Kaliningrad Russian Federation 10 12 2025 10 12 2025 11 4 71 78 07 04 2025 10 05 2025 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/97195/view

В работе представлены результаты моделирования пространственно-временных возмущений термосферы во время сильного метеорологического возмущения. Моделирование выполнено с использованием Глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП). Воздействие тропосферных/стратосферных источников на термосферу при диссипации акустических и внутренних гравитационных волн, генерируемых в области метеорологического шторма, учитывалось в ГСМ ТИП путем задания дополнительного теплового источника на высоте 120 км. Результаты моделирования эффектов циклона в октябре 2017 г. показали, что действие локального дополнительного источника нагрева термосферы приводит к возмущениям параметров термосферы и ионосферы как непосредственно над областью источника, так и на значительном удалении от него. В области дополнительного нагрева отмечается понижение полного электронного содержания (ТЕС), достигающее в дневное время 20 % по сравнению с метеорологически-спокойным днем. Южнее и восточнее области локализации источника отмечаются положительные возмущения ТЕС с относительными амплитудами 5–10 % в дневное время. Физические процессы, определяющие реакцию ионосферы непосредственно в области источника, обусловлены нагревом термосферы и его влиянием на изменения нейтрального состава и циркуляции нейтрального ветра. Возмущения ТЕС в областях, удаленных от области источника, определяются динамическими процессами, которые приводят к переносу плазмы в восточном направлении и смещению ионосферных возмущений к низким широтам.

The paper presents the results of modeling of spatial and temporal perturbations of the thermosphere during a strong meteorological disturbance. The modeling was performed using the Global Self-Consistent Model of the thermosphere, ionosphere, and protonosphere (GSM TIP). The impact of tropospheric/stratospheric sources on the thermosphere during dissipation of acoustic and internal gravity waves, generated in the meteorological storm region, was considered in GSM TIP by specifying an additional thermal source. The results of modeling of ionospheric effects of the meteorological storm in October 2017 have shown that the action of a local additional source of heating of the thermosphere leads to perturbations of the thermosphere and ionosphere parameters both directly above the source region and at a significant distance from it. In additional heating of the thermosphere, a decrease is observed in the total electron content (TEC) values, reaching 20 % in the daytime compared to a meteorologically quiet day. To the south and east of the source region, there are positive TEC perturbations with relative amplitudes 5–10 % during the daytime. The physical processes determining the ionospheric response directly in the source region are conditioned by heating of the thermosphere and its influence on changes in the neutral composition and circulation of the neutral wind. The TEC perturbations in the regions remote from the source region are determined by dynamic processes, which lead to the eastward transport of plasma and displacement of ionospheric perturbations to low latitudes.

 полное электронное содержание термосфера ионосфера акустические волны внутренние гравитационные волны численное моделирование метеорологический шторм total electron content thermosphere ionosphere acoustic waves internal gravity waves numerical modeling meteorological storm Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-27-00213 [https://rscf.ru/project/25-27-00213/] The research was financially supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 25-27-00213) [https://rscf.ru/project/25-27-00213/]

Бессараб Ф.С., Кореньков Ю.Н. Влияние окиси азота на глобальные распределения термосферных и ионосферных параметров. Геомагнетизм и аэрономия. 1998, т. 38, № 5, с. 131–140. Artru J., Ducic V., Kanamori H., et al. Ionospheric detection of gravity waves induced by tsunamis. Geophysical Journal International. 2005, vol. 160, iss. 3, pp. 840–848. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2005.02552.x. Захаров В.И., Куницын В.Е. Региональные особенности атмосферных проявлений тропических циклонов по данным наземных GPS-cетей. Геомагнетизм и аэрономия. 2012, т. 52, № 4, с. 562–574. Astafyeva E. Ionospheric detection of natural hazards. Rev. Geophys. 2019, vol. 57, pp. 1265–1288. DOI: 10.1029/2019RG000668. Карпов И.В., Васильев П.А. Возмущения ионосферы обусловленные воздействием локализованных термосферных источников. Геомагнетизм и аэрономия. 2020, т. 60, № 4, с. 496–501. DOI: 10.31857/S0016794020040069. Bessarab F.S., Koren’kov Yu.N. Effect of nitric oxide on global distributions of thermospheric and ionospheric parameters. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1998, vol. 38, no. 5, pp. 645–651. (In Russian). Карпов И.В., Кшевецкий С.П., Борчевкина О.П. и др. Возмущения верхней атмосферы и ионосферы, инициированные источниками акустико-гравитационных волн в нижней атмосфере. Химическая физика. 2016, т. 35, № 1, с. 59–64. DOI: 10.7868/S0207401X16010064. Bishop R.L., Aponte N., Earle G.D., et al. Arecibo observations of ionospheric perturbations associated with the passage of tropical storm Odette. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, iss. A11, no. 320, pp. 1–9. DOI: 10.1029/2006JA011668. Карпов И.В., Борчевкина О.П., Васильев П.А. Моделирование ионосферных эффектов, вызванных прохождением метеорологических штормов. Химическая физика. 2020, т. 39, № 4, с. 63–67. DOI: 10.31857/S0207401X20040081. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovsky K.G. Meteorological effects of ionospheric disturbances from vertical radio sounding data. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015, vol. 136, pp. 235–243. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.006. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере земли: динамо-поле и экваториальный электроджет. Геомагнетизм и аэрономия. 2006, т. 46, № 4, с. 485–494. Gavrilov N.M., Koval A.V., Kshevetskii S.P. Thermal effects of nonlinear acoustic-gravity waves propagating at thermospheric temperatures matching high and low solar activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2020, vol. 208, p. 105381. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105381. Клименко М.В., Клименко В.В., Захаренкова И.Е. Долготные вариации ионосферного, плазмосферного и полного электронного содержания в декабре 2009 года. Химическая физика. 2016, т. 35, № 1, с. 31–40. DOI: 10.7868/S0207401X1601009X. Hersbach H., Bell B., Berrisfordand P., et al. The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2020, vol. 146, iss. 730, pp. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803. Ясюкевич А.С., Клименко М.В., Куликов Ю.Ю. и др. Изменения параметров средней и верхней атмосферы во время внезапного стратосферного потепления в январе 2013 г. Солнечно-земная физика. 2018, т. 4, № 4, с. 62–75. DOI: 10.12737/szf-44201807 / Yasyukevich A.S., Klimenko M.V., Kulikov Yu.Yu., Klimenko V.V., Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., et al. Changes in the middle and upper atmosphere parameters during the January 2013 sudden stratospheric warming. Sol.-Terr. Phys. 2018, vol. 4, no. 4, pp. 48–58. DOI: 10.12737/stp-44201807. Hickey M.P., Schubert G., Walterscheid R.L. Acoustic wave heating of the thermosphere. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, iss. A10, pp. 21543–21548. DOI: 10.1029/2001JA000036. Artru J., Ducic V., Kanamori H., et al. Ionospheric detection of gravity waves induced by tsunamis. Geophysical Journal International. 2005, vol. 160, iss. 3, pp. 840–848. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2005.02552.x. Hickey M.P., Walterscheid R.L., Schubert G. Gravity wave heating and cooling of the thermosphere: Roles of the sensible heat flux and viscous flux of kinetic energy. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, p. A12326. DOI: 10.1029/2011JA016792. Astafyeva E. Ionospheric detection of natural hazards. Rev. Geophys. 2019, vol. 57, pp. 1265–1288. DOI: 10.1029/2019RG000668. Karpov I.V., Vasiliev P.A. Ionospheric disturbances due to the influence of localized thermospheric sources. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 4, pp. 477–482. DOI: 10.1134/S0016793220040064. Bishop R.L., Aponte N., Earle G.D., et al. Arecibo observations of ionospheric perturbations associated with the passage of tropical storm Odette. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, iss. A11, no. 320, pp. 1–9. DOI: 10.1029/2006JA011668. Karpov I.V., Radievsky A.V., Kshevetsky S.P., et al. Disturbances of the upper atmosphere and ionosphere caused by acoustic-gravity wave sources in the lower atmosphere. Russ. J. Phys. Chem. B. 2016, vol. 10, no. 1, pp. 127–132. DOI: 10.1134/S199079311601005X. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovsky K.G. Meteorological effects of ionospheric disturbances from vertical radio sounding data. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015, vol. 136, pp. 235–243. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.006. Karpov I.V., Borchevkina O.P., Vasilev P.A. Simulation of ionospheric effects induced by meteorological storms. Russ. J. Phys. Chem. B. 2020, vol. 14, no. 2, pp. 362–366. DOI: 10.1134/S1990793120020220. Gavrilov N.M., Koval A.V., Kshevetskii S.P. Thermal effects of nonlinear acoustic-gravity waves propagating at thermospheric temperatures matching high and low solar activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2020, vol. 208, p. 105381. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105381. Klimenko M.V., Bryukhanov V.V., Klimenko V.V. Numerical simulation of the electric field and zonal current in the Earth's ionosphere: The dynamo field and equatorial electrojet. Geomagnetism and Aeronomy. 2006, vol. 46, no. 4, pp. 457–466. DOI: 10.1134/S0016793206040074. Hersbach H., Bell B., Berrisfordand P., et al. The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2020, vol. 146, iss. 730, pp. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E., et al. Formation mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12, 2008. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, no. 3, pp. 488–499. DOI: 10.1016/j.asr.2011.03.040. Hickey M.P., Schubert G., Walterscheid R.L. Acoustic wave heating of the thermosphere. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, iss. A10, pp. 21543–21548. DOI: 10.1029/2001JA000036. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E. Longitudinal variations of the ionospheric, plasmaspheric, and total electron contents in December 2009. Russ. J. Phys. Chem. B. 2016, vol. 10, pp. 100–108. DOI: 10.1134/S1990793116010085. Hickey M.P., Walterscheid R.L., Schubert G. Gravity wave heating and cooling of the thermosphere: Roles of the sensible heat flux and viscous flux of kinetic energy. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, p. A12326. DOI: 10.1029/2011JA016792. Korenkov Yu.N., Bessarab F.S., et al. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere coupling during substorm. Adv. Space Res. 1996, vol. 18, no. 3, pp. 41–44. DOI: 10.1016/0273-1177(95)00834-2. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E. et al. Formation mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12, 2008. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, no. 3, pp. 488–499. DOI: 10.1016/j.asr.2011.03.040. Koucká Knížová P., Podolská K., Potužníková K., et al. Evidence of vertical coupling: Meteorological storm Fabienne on 23 September 2018 and its related effects observed up to the ionosphere. Ann. Geophys. 2020, vol. 38, pp. 73–93. DOI: 10.5194/angeo-38-73-2020. Korenkov Yu.N., Bessarab F.S., Klimenko V.V., et al. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere coupling during substorm. Adv. Space Res. 1996, vol. 18, no. 3, pp. 41–44. DOI: 10.1016/0273-1177(95)00834-2. Koucká Knížová P., Potužníková K., Podolská K., et al. Multi-instrumental observation of mesoscale tropospheric systems in July 2021 with a potential impact on ionospheric variability in midlatitudes. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2023, vol. 10, no. 1197157, pp. 1–22. DOI: 10.3389/fspas.2023.1197157. Koucká Knížová P., Podolská K., Potužníková K., et al. Evidence of vertical coupling: Meteorological storm Fabienne on 23 September 2018 and its related effects observed up to the ionosphere. Ann. Geophys. 2020, vol. 38, pp. 73–93. DOI: 10.5194/angeo-38-73-2020. Koval A.V., Gavrilov N.M., Kandieva K.K., et al. Numerical simulation of stratospheric QBO impact on the planetary waves up to the thermosphere. Scientific Reports. 2022, vol. 12, 21701. DOI: 10.1038/s41598-022-26311-x. Koucká Knížová P., Potužníková K., Podolská K., et al. Multi-instrumental observation of mesoscale tropospheric systems in July 2021 with a potential impact on ionospheric variability in midlatitudes. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2023, vol. 10, no. 1197157, pp. 1–22. DOI: 10.3389/fspas.2023.1197157. Kurdyaeva Yu., Bessarab F., Borchevkina O., Klimenko M. Model study of the influence of atmospheric waves on variations of upper atmosphere and ionosphere parameters during a meteorological storm on May 29, 2017. Adv. Space Res. 2024, vol. 74, no. 5, pp. 2463–2474. DOI: 10.1016/j.asr.2024.05.062. Koval A.V., Gavrilov N.M., Kandieva K.K., et al. Numerical simulation of stratospheric QBO impact on the planetary waves up to the thermosphere. Scientific Reports. 2022, vol. 12, 21701. DOI: 10.1038/s41598-022-26311-x. Lay E. H. Ionospheric irregularities and acoustic-gravity wave activity above low-latitude thunderstorms. Geophys. Res. Lett. 2018, vol. 45, pp. 90–97. DOI: 10.1002/2017GL076058. Kurdyaeva Yu., Bessarab F., Borchevkina O., Klimenko M. Model study of the influence of atmospheric waves on variations of upper atmosphere and ionosphere parameters during a meteorological storm on May 29, 2017. Adv. Space Res. 2024, vol. 74, no. 5, pp. 2463–2474. DOI: 10.1016/j.asr.2024.05.062. Li W., Yue J., Yang Y., et al. Analysis of ionospheric disturbances associated with powerful cyclones in East Asia and North America. J. Atmos. Solar.-Terr. Phys. 2017, vol. 161, pp. 43–54. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.06.012. Lay E. H. Ionospheric irregularities and acoustic-gravity wave activity above low-latitude thunderstorms. Geophys. Res. Lett. 2018, vol. 45, pp. 90–97. DOI: 10.1002/2017GL076058. Namgaladze A.A, Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., et al. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. J. Atmos. Terr. Phys. 1991, vol. 53, iss. 11-12, pp. 1113–1124. DOI: 10.1016/0021-9169(91)90060-K. Li W., Yue J., Yang Y., et al. Analysis of ionospheric disturbances associated with powerful cyclones in East Asia and North America. J. Atmos. Solar.-Terr. Phys. 2017, vol. 161, pp. 43–54. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.06.012. Pancheva D., Mukhtarov P., Smith A. Climatology of the migrating terdiurnal tide (TW3) in SABER/TIMED temperatures. J. Geophys. Res.-Space. 2013, vol. 118, pp. 1755–1767. DOI: 10.1002/jgra.50207. Namgaladze A.A, Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., et al. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. J. Atmos. Terr. Phys. 1991, vol. 53, iss. 11-12, pp. 1113–1124. DOI: 10.1016/0021-9169(91)90060-K. Pedatella N.M., Forbes J.M. Modulation of the equatorial F-region by the quasi-16-day planetary wave. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, L09105. DOI: 10.1029/2009GL037809. Pancheva D., Mukhtarov P., Smith A. Climatology of the migrating terdiurnal tide (TW3) in SABER/TIMED temperatures. J. Geophys. Res.-Space. 2013, vol. 118, pp. 1755–1767. DOI: 10.1002/jgra.50207. Pedatella N.M., Liu H.-L. The influence of internal atmospheric variability on the ionosphere response to a geomagnetic storm. Geophys. Res. Lett. 2018, vol. 45, pp. 4578–4585. DOI: 10.1029/2018GL077867. Pedatella N.M., Forbes J.M. Modulation of the equatorial F-region by the quasi-16-day planetary wave. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, L09105. DOI: 10.1029/2009GL037809. Rahmani Y., Alizadeh M.M., Schuh H., et al. Probing vertical coupling effects of thunderstorms on lower ionosphere using GNSS data. Adv. Space Res. 2020, vol. 66, no. 8, pp. 1967–1976. DOI: 10.1016/j.asr.2020.07.018. Pedatella N.M., Liu H.-L. The influence of internal atmospheric variability on the ionosphere response to a geomagnetic storm. Geophys. Res. Lett. 2018, vol. 45, pp. 4578–4585. DOI: 10.1029/2018GL077867. Schaer S. Mapping and predicting the Earth’s ionosphere using the global positioning system: PhD thesis. Bern, University of Bern, 1999, 205 p. Rahmani Y., Alizadeh M.M., Schuh H., et al. Probing vertical coupling effects of thunderstorms on lower ionosphere using GNSS data. Adv. Space Res. 2020, vol. 66, no. 8, pp. 1967–1976. DOI: 10.1016/j.asr.2020.07.018. Strickland D.J., Evans J.S., Paxton L.J. Satellite remote sensing of thermospheric O/N2 and solar EUV. 1. Theory. J. Geophys. Res. 1995, vol. 100, no. A7, pp. 12217–12226. DOI: 10.1029/95JA00574. Schaer S. Mapping and predicting the Earth’s ionosphere using the global positioning system: PhD thesis. Bern: University of Bern, 1999, 205 p. Šindelárova T., Burešová D., Chum J., Hruska F. Doppler observations of infrasonic waves of meteorological origin at ionospheric heights. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, pp. 1644–1651. DOI: 10.1016/j.asr.2008.08.022. Strickland D.J., Evans J.S., Paxton L.J. Satellite remote sensing of thermospheric O/N2 and solar EUV. 1. Theory. J. Geophys. Res. 1995, vol. 100, no. A7, pp. 12217–12226. DOI: 10.1029/95JA00574. Yasyukevich A.S., Klimenko M.V., Kulikov Yu.Yu., et al. Changes in the middle and upper atmosphere parameters during the January 2013 sudden stratospheric warming. Sol-Terr. Phys. 2018, vol. 4, no. 4, pp. 48–58. DOI: 10.12737/stp-44201807. Šindelárova T., Burešová D., Chum J., et al. Doppler observations of infrasonic waves of meteorological origin at ionospheric heights. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, pp. 1644–1651. DOI: 10.1016/j.asr.2008.08.022. Wang J.C., Tsai-Lin R., Chang L.C., et al. Modeling study of the ionospheric responses to the quasi-biennial oscillations of the Sun and stratosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 171, pp. 119–130. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.07.024. Wang J.C., Tsai-Lin R., Chang L.C., et al. Modeling study of the ionospheric responses to the quasi-biennial oscillations of the Sun and stratosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 171, pp. 119–130. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.07.024. Yiğit E., Medvedev A.S. Internal wave coupling processes in Earth’s atmosphere. Adv. Space Res. 2015, vol. 55, iss. 4, pp. 983–1003. DOI: 10.1016/j.asr.2014.11.020. Yiğit E., Medvedev A.S. Internal wave coupling processes in Earth’s atmosphere. Adv. Space Res. 2015, vol. 55, iss. 4, pp. 983–1003. DOI: 10.1016/j.asr.2014.11.020. Zakharov V.I., Kunitsyn V.E. Regional features of atmospheric manifestations of tropical cyclones according to ground-based GPS network data. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, pp. 533–545. DOI: 10.1134/S0016793212040160. URL: https://guvitimed.jhuapl.edu (дата обращения 16 апреля 2025 г.). URL: https://guvitimed.jhuapl.edu (accessed date April 16, 2025). URL: https://rscf.ru/project/25-27-00213/ (дата обращения 16 апреля 2025 г.). URL: https://rscf.ru/project/25-27-00213/ (accessed date April 16, 2025).