Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Исследована пространственно-временная динамика сигналов обратного рассеяния, наблюдавшихся Екатеринбургским когерентным радаром (ЕКБ-радаром) в ходе сильной двухступенчатой геомагнитной бури Святого Патрика. Было установлено, что количество сигналов, обратно рассеянных неоднородностями земли, увеличилось в начальную фазу, уменьшилось на второй ступени главной фазы и в первые два дня восстановительной фазы бури. Изменения в сигналах, обратно рассеянных в ионосфере (BSi-сигналов), начались одновременно с главной фазой. На первой ступени наблюдалась 6-часовая серия BSi-сигналов, дальность которых уменьшалась по мере развития бури. В течение последних 5 ч главной фазы и первых 3 ч фазы восстановления ЕКБ-радар наблюдал только сигналы, рассеянные в Е-области ионосферы. Был проведен комплексный анализ данных ЕКБ-радара и наземных ионосферных, риометрических и магнитных станций, расположенных в его поле зрения. Анализ показал, что наблюдавшаяся динамика обратного рассеяния была связана со сжатием магнитосферы, расширением конвективных вихрей, ударной ионизацией и изменением состава атмосферы во время начальной фазы, первой и второй ступеней главной фазы и фазы восстановления бури соответственно.
сильная геомагнитная буря, сигналы обратного рассеяния, поле зрения радара, поглощение, ионосферные и геомагнитные возмущения, полное электронное содержание
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на многолетние экспериментальные исследования, начатые с помощью ионозондов в двадцатые годы прошлого века, изучение ионосферных возмущений остается одной из наиболее приоритетных задач физики околоземного космического пространства [Buonsanto, 1999; Mendillo, 2006; Goodman, 2005]. Актуальность задачи обусловлена огромным влиянием ионосферы на телекоммуникационные системы, бесперебойная работа которых необходима для человечества. Проблемы, возникающие при решении этой задачи, связаны, прежде всего, с низким пространственным разрешением и потерей ионосферных данных во время больших магнитных бурь, а также с отсутствием детальной информации об электрических полях магнитосферного происхождения (магнитосферного динамо) и термосферных процессах, влияющих на развитие ионосферной бури. Часть этих проблем может быть устранена путем комплексного анализа данных, полученных различными инструментами в обследуемой области [Pokhotelov et al., 2008; Verhulst et al., 2014].
В обзоре [Mendillo, 2006] показано, что потерю и недостаточное пространственное разрешение данных по электронной концентрации в максимуме F2-слоя ионосферы (NmF2), полученных с помощью наземных ионозондов, можно компенсировать данными по полному электронному содержанию (ПЭС). Напомним, что по возмущениям критической частоты fоF2 этого слоя, вносящего основной вклад в ПЭС, определяют интенсивность и фазу ионосферной бури (см. например, [Брюнелли, Намгаладзе, 1988]). Пространственно-временная динамика электрических полей, возникающих в магнитосфере и передающихся вдоль силовых линий геомагнитного поля на ионосферные высоты, может быть детально изучена в областях, обследуемых радарами [Ribeiro et al., 2011]. В России такое комплексное исследование можно провести для области ионосферы, обследуемой Екатеринбургским радаром (ЕКБ-радаром) [Berngardt et al., 2015]. К сожалению, из-за малого числа GPS-приемников, размещенных в этой области, вариации ПЭС в ней могут использоваться только как вспомогательный инструмент, дающий информацию о возможных тенденциях изменения NmF2.
Геомагнитная буря, начавшаяся 17 марта 2015 г. и названная по дню начала бурей Святого Патрика, была 13-й сильной геомагнитной бурей 24-го солнечного цикла и первой, значение Dst-индекса в которой достигло уровня ниже -200 нТл [Kamide, Kusano, 2015]. Большинство опубликованных работ, посвященных ионосферным эффектам этой бури, основано на анализе данных спутниковых навигационных систем.
Анализируя данные системы ГЛОНАСС, Тертышников [2015] показал, что в первые 8 ч главной фазы бури ПЭС над Эльбрусом было выше, а в остальные 4 ч и последующие 4 дня восстановительной фазы ниже, чем средние значения этого параметра в марте 2015 г.
Авторы работы [Jacobsen, Andalsvik, 2016] использовали для проведения исследования значения ROTI (rate-of-TEC index), определенные по данным GNSS (Global Navigation Satellite System). Сопоставив пространственно-временную динамику ROTI и эквивалентных ионосферных токов, рассчитанных по данным сети IMAGE, авторы обнаружили, что самые сильные возмущения сигналов GNSS над Норвегией наблюдались на полярной границе авроральных электроджетов, и связали эти возмущения с процессами пересоединения в хвосте магнитосферы.
Базируясь на картах ROTI, полученных с помощью системы GPS в Северном полушарии, авторы работы [Cherniak, Zakharenkova, 2015] показали наличие связи между ионосферными неоднородностями, наблюдавшимися 15-20 марта 2015 г. на геомагнитных широтах 50-75/90° с индексами авроральной ак-тивности и мощностью, поставляемой в высокоширотную ионосферу высыпающимися частицами.
1. Белецкий А.Б., Михалев А.В., Тащилин М.А. и др. Оптические наблюдения среднеширотного излучения верхней атмосферы во время магнитной бури 17 марта 2015 г. // Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2015): Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 23-26 июня 2015. Санкт-Петербург, 2015. C. 294.
2. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
3. Иевенко И.Б., Алексеев В.Н. Влияние суббури и бури на динамику SAR-дуги. Статистический анализ // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 4, № 5. С. 643-654.
4. Тертышников А.В. Эффект магнитной бури 17.03.2015 г. в полном электронном содержании ионосферы над Эльбрусом // Гелиогеофизические иссл. 2015. Вып. 12. С. 29-33.
5. Подлесный С.В., Михалев А.В. Спектрофотометрия среднеширотных сияний, наблюдаемых в регионе Восточной Сибири во время магнитных бурь 27 февраля 2014 г. и 17 марта 2015 г. // Международная Байкальская моло-дежная научная школа по фундаментальной физике. Труды XIV конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом». Иркутск, 2015. С. 175-177.
6. Полех Н.М., Золотухина Н.А., Романова Е.Б. и др. Ионосферные эффекты магнитосферных и термо-сферных возмущений 17-19 марта 2015 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56, № 5. С. 557-571.
7. Соловьев С.И., Бороев Р.И., Моисеев А.В. и др. Динамика ионосферных электрических токов и границ аврорального свечения в периоды сильных магнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 4. С. 472-482.
8. Astafyeva E., Zakharenkova I., Förster M. Ionospheric response to the 2015 St. Patrick’s Day storm: A global multi-instrumental overview // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. P. 9023-9037. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021629.
9. Baker K.B., Wing, S. A new magnetic coordinate system for conjugate studies at high latitudes // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. P. 9139-9143.
10. Bargatze L.F., Baker D.N., McPherron R.L., Hones E.W.Jr. Magnetospheric impulse response for many levels of geomagnetic activity // J. Geophys. Res. 1985. V. 90, N A7. P. 6387-6394.
11. Berngardt O.I. Zolotukhina N.A, Oinats A.V. Observations of field-aligned ionospheric irregularities during quiet and disturbed conditions with EKB radar: First results // Earth, Planets and Space. 2015. 67:143. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-015-0302-3.
12. Blagoveshchensky D.V., Maltseva O.A., Anishin M.M., et al. Impact of the magnetic superstorm on March 17-19, 2015 on subpolar HF radio paths: Experiment and modeling // Adv. Space Res. 2016. V. 58. P. 835-846.
13. Blanchard G.T., Sundeen S., Baker K.B. Probabilistic identification of high-frequency radar backscatter from the ground and ionosphere based on spectral characteristics // Radio Sci. 2009. V. 44. RS5012. DOI:https://doi.org/10.1029/2009RS004141.
14. Bland E.C., McDonald A.J., De Larquier S., Devlin J.C. Determination of ionospheric parameters in real time using SuperDARN HF Radars // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 5830-5846. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA020076.
15. Buonsanto M.J. Ionospheric storms - a review // Space Sci. Rev. 1999. V. 88. P. 563-601.
16. Burke W.J., Huang C.Y., Marcos F.A., Wise J.O. Interplanetary control of thermospheric densities during large magnetic storms // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69, N 3. P. 279-287.
17. Cherniak I., Zakharenkova I. Dependence of the high-latitude plasma irregularities on the auroral activity indices: A case study of 17 March 2015 geomagnetic storm // Earth, Planets and Space. 2015. 67:151. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-015-0316-x.
18. Dasso S., Gomez D., Mandrini C.H. Ring current decay rates of magnetic storms: A statistical study from 1957 to 1998 // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A5. DOI: 10.1029/ 2000JA000430.
19. Davies J.A., Lester M., Milan S.E., Yeoman T.K. A comparison of velocity measurements from the CUTLASS Finland radar and the EISCAT UHF system // Ann. Geophysicae. 1999. V. 17. P. 892-902.
20. Ericsson S., Ergun R.E., Carlson C.W., Peria W. The cross-polar potential drop and its correlation to the solar wind // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N 8. P.18,639-18,654.
21. Fiori R.A.D., Koustov A.V., Boteler D., Makarevich R.A. PCN magnetic index and average convection ve-locity in the polar cap inferred from SuperDARN radar measurements // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, N A7. DOI: 10.1029/ 2008JA013964.
22. Goodman J.M. Space Weather & Telecommunications. Springer. New York, 2005. 382 p.
23. Jacobsen K.S., Andalsvik Y. L. Overview of the 2015 St. Patrick’s Day storm and its consequences for RTK and PPP positioning in Norway // J. Space Weather Space Clim. 2016. V. 6, N A9. DOI:https://doi.org/10.1051/swsc/2016004.
24. Kamide Y., Yokoyama N., Gonzalez W.D., et al. Two-step development of geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, N A4. P. 6917-6921.
25. Kamide Y., Kusano K. No major solar flares but the largest geomagnetic storm in the present solar cycle // Space Weather. 2015. V. 13. P. 365-367. DOI: 10.1002/ 2015SW001213.
26. King J.H. Solar wind parameters and magnetospheric coupling studies. Solar Wind - Magnetospheric Coupling / Eds. Y. Kamide, J.A. Slavin. Tokyo: Terra Scientific Publishing Company, 1986. P. 163-177.
27. Le G., Lühr H., Anderson B.J., Strangeway R.J., et al. Magnetopause erosion during the March 17, 2015 mag-netic storm: Combined field-aligned currents, auroral oval, and magnetopause observations. 2016. DOI:https://doi.org/10.1002/2016GL068257. (available at http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ 2016GL068257/full)
28. Liu J., Wang W., Burns A., et al. Profiles of ionospheric storm-enhanced density during the 17 March 2015 great storm // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. P. 727-744. DOI: 10.1002/ 2015JA021832.
29. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Yu., et al. First results of the high-resolution multibeam ULF wave experiment at the Ekaterinburg SuperDARN radar: Ionospheric signatures of coupled poloidal Alfvén and drift-compressional modes // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2015. V. 130-131. P. 112-126.
30. Makarevich R.A., Kellerman A.C., Bogdanova Y.V., Koustov A.V. Time evolution of the subauroral electric fields: A case study during a sequence of two substorms // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A04312. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013944.
31. Mendillo M. Storms in the ionosphere: Patterns and processes for total electron content // Rev. Geophys. 2006. V. 44, RG4001. DOI:https://doi.org/10.1029/2005RG000193.
32. Milan S.E., Lester M. Spectral populations in HF radar backscatter from the E region auroral electrojets // Ann. Geophys. 2001. V 19. P. 189-204.
33. Oinats A.V., Kurkin V.I., Nishitani N. Statistical study of medium-scale traveling ionospheric disturbances using SuperDARN Hokkaido ground backscatter data for 2011 // Earth, Planets and Space. 2015. V. 67:22. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-015-0192-4.
34. Pokhotelov D., Mitchell C.N., Spencer P.S.J., et al. Ionospheric storm time dynamics as seen by GPS tomog-raphy and in situ spacecraft observations // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, A00A16. DOIhttps://doi.org/10.1029/2008JA013109.
35. Ponomarchuk S.N., Polekh N.M., Romanova E.B., et al. The disturbances of ionospheric radio channel during magnetic storm on March 17-19, 2015 // Proc. SPIE. 2015. 9680, 96805H., DOI:https://doi.org/10.1117/12.2203593.
36. Ponomarenko P.V., Waters C.L. Spectral width of SuperDARN echoes: Measurement, use and physical interpretation // Ann. Geophys. 2006. V. 24, N 1. P. 115-128. DOI: 10.5194/ angeo-24-115-2006.
37. Ribeiro A.J., Ruohoniemi J.M., Baker J.B.H., et al. A new approach for identifying ionospheric backscatter in midlatitude SuperDARN HF radar observations // Radio Sci. 2011. V. 46, RS4011. DOI:https://doi.org/10.1029/2011RS004676.
38. Sharma A.S., Baker D.N., Borovsky J.E. Nonequilibrium Phenomena in the Magnetosphere: Phase Transition, Self-organized Criticality and Turbulence // Nonequilibrium Phenomena in Plasmas / Eds. A. S. Sharma, P.K. Kaw. Springer, 2005. P. 3-22.
39. Spasojevic M., Fuselier S.A. Temporal evolution of proton precipitation associated with the plasmaspheric plume // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A12201. DOI: 10.1029/ 2009JA014530.
40. Troshichev O.A., Janzhura A., Stauning P. Unified PCN and PCS indices: Method of calculation, physical sense, and dependence on the IMF azimuthal and northward components // J. Geophys. Res. 2006. V. 111, A05208. DOI: 10.1029/ 2005JA011402.
41. Verhulst T., Sapundjiev D., Stankov S. The need for local, high resolution, multi instrument monitoring to study complex effects of space weather disturbances: A study of the events in February 2014 // 40th COSPAR Scientific Assembly 2014: Absracts. Moscow, 2014. C1.3-0018-14.pdf.
42. URL: fttp://ftp.swpc.noaa.gov (дата обращения 9 сентября 2016).
43. URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 9 сентября 2016).
44. URL: http://www.intermagnet.org/index-eng. Php (дата обращения 14 сентября 2016).
45. URL: http://geo-phys.aari.ru/interface2.html (дата обращения 9 сентября 2016).
46. URL: http://space-weather.ru/index.php?page=iono-grammy (дата обращения 23 сентября 2016).
47. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/cgm_vitmo.html (дата обращения 12 сентября 2016).
48. URL: www.solen. info/solar/old_reports (дата обращения 12 сентября 2016).
49. URL: http://guvi.jhuapl.edu/site/data/guvi-dataproducts.shtml (дата обращения 12 сентября 2016).
