Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Впервые рассмотрено влияние внезапного стратосферного потепления (ВСП) 23–27 января 2009 г. на распространение коротких радиоволн в экваториальной ионосфере. Выбранное нами событие происходило на фоне низкой солнечной и геомагнитной активности. Для моделирования изменения среды во время ВСП использовались результаты расчетов, полученные c помощью Глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП). Удалось качественно и количественно воспроизвести возмущения полного электронного содержания, полученные по данным наземной сети приемников сигналов навигационных спутников GPS, посредством задания дополнительного электрического потенциала, а также выходных данных модели TIME-GCM на высоте 80 км. Для моделирования изменения лучевых траекторий и поглощения радиоволн использовалась численная модель распространения радиоволн, построенная в приближении геометрической оптики. Показано, что ВСП приводит к ухудшению радиосвязи в экваториальной ионосфере в дневное время.
внезапное стратосферное потепление, КВ-радиосвязь, поглощение радиосигнала, экваториальная аномалия, трехмерное моделирование
ВВЕДЕНИЕ
Внезапным стратосферным потеплением (ВСП) называется сильное и внезапное повышение температуры взрывного характера, иногда на 50 K и более, в течение нескольких суток в полярной и субполярной стратосфере зимой. ВСП представляет собой огромное по своим масштабам метеорологическое событие, связанное с глобальными аномалиями, происходящими в диапазоне высот от тропосферы и стратосферы до мезосферы и нижней термосферы. Влияние стратосферных потеплений на распределение метеопараметров в тропосфере и приземном атмосферном слое, а, следовательно, и на погоду, имеет экспериментальное и теоретическое обоснование [Woollings et al., 2010; Кочеткова и др., 2014; Погорельцев и др., 2014]. Имеется ряд наблюдений поведения параметров мезосферы и нижней термосферы во время ВСП, например [Mbatha et al., 2010]. Однако такие наблюдения достаточно редки.
Длительный затянувшийся минимум солнечной (F10.7~70) и геомагнитной (Kp<3) активности в 2007–2009 гг. позволяет тщательно изучить взаимосвязи между процессами в средней и верхней атмосфере, поскольку в этот период изменения солнечной активности и магнитосферных источников оказывают минимальное влияние на изменчивость верхних слоев атмосферы. В январе 2009 г. произошло сильное ВСП, уникальность которого состояла в его большой продолжительности. Для этого события имеются непрерыв-ные измерения мировой сети радаров некогерентного рассеяния в течение одиннадцати дней, а также боль-шой массив данных наблюдений ионозондов. Ионосферные эффекты в Азиатском регионе России во время ВСП зимой 2008–2009 гг. были представлены в работах [Polyakova et al., 2014; Shpynev et al., 2015]. Неоднократно также рассматривался глобальный и среднеширотный отклик ионосферы на это событие [Yue et al., 2010; Pancheva, Mukhtarov, 2011; Bessarab et al., 2012; Fagundes et al., 2015]. Однако наибольшее количество работ было посвящено отклику низкоширотной ионосферы на ВСП 2009 г. [Chau et al., 2010; Goncharenko et al., 2010b] и попытке объяснить причины такого отклика [Goncharenko et al., 2010a; Chau et al., 2011; Fejer et al., 2011; Pedatella et al., 2015; Yiğit et al., 2015]. Чтобы проверить обоснованность и важность каждого из предлагаемых механизмов наблюдаемого утреннего усиления экваториальной аномалии и дневного уменьшения электронной концентрации в экваториальной и низкоширотной области ионосферы во время ВСП 2009 г., многочисленными научными группами и коллективами были проведены теоретические исследования с использованием глобальных моделей средней и верхней атмосферы, которые включают в себя систему термосфера—ионосфера [Fuller-Rowell et al., 2010, 2011; Liu et al., 2010, 2013; Bessarab et al., 2012; Jin et al., 2012]. Во всех этих исследованиях в той или иной степени качественно (но не количественно) был воспроизведен низкоширотный отклик ионосферы на ВСП 2009 г. Различие между теоретическими и экспериментальными данными может объясняться как неоднозначным выбором входных данных моделей, так и упрощенным описанием некоторых физических процессов. Для того чтобы добиться количественного согласия результатов расчетов с данными наблюдений, некоторые исследователи использовали ассимиляцию данных наблюдений на различных стадиях моделирования параметров средней и верхней атмосферы [Wang et al., 2014]. Тем не менее, несмотря на несомненный прогресс в моделировании ионосферных эффектов ВСП, существуют расхождения между результатами моделирования и данными наблюдений отклика низкоширотной ионосферы на ВСП 2009 г. [Klimenko et al., 2015; Peddatela et al., 2016]. Отчасти поэтому до сих пор не было исследований, посвященных опосредованному влиянию ВСП (через изменения параметров ионосферы) на распространение коротких радиоволн. Авторам работы [Klimenko et al., 2015] с помощью введения источника дополнительного электрического поля в экваториальной области удалось качественно и количественно воспроизвести отклик экваториальной аномалии на ВСП 2009 г., что позволило нам в данной работе впервые провести исследование изменения лучевых траекторий и поглощения радиоволн в период ВСП 2009 г. Ниже мы приводим результаты такого исследования.
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
2. Клименко М.В., Клименко В.В., Кореньков Ю.Н. и др. Моделирование отклика системы термосфера-ионосфера на внезапные стратосферные потепления 2008 и 2009 гг. // Космич. исслед. 2013. Т. 51, № 1. С. 62-72.
3. Клименко М.В., Клименко В.В., Бессараб Ф.С. и др. Использование моделей средней и верхней атмо-сферы для описания возмущений полного электронного содержания, вызванных стратосферным потеплением 2009 года // Химическая физика. 2016. Т. 35, № 1. С. 41-48.
4. Котова Д.С., Клименко М.В., Клименко В.В., Захаров В.Е. Численное моделирование влияния гео-магнитной бури 2-3 мая 2010 г. на распространение коротких радиоволн в ионосфере // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2014. Т. LVII, № 7. С. 519-530.
5. Котова Д.С., Захаров В.Е., Клименко М.В., Клименко В.В. Развитие модели распространения коротких радиоволн в ионосфере // Химическая физика. 2015. Т. 34, № 12. С. 62-71.
6. Кочеткова О.С., Мордвинов В.И., Руднева М.А. Анализ факторов, влияющих на возникновение стра-тосферных потеплений // Оптика атмосферы и океана. 2014. № 8. С. 719-727.
7. Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В. и др. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30, № 4. С. 612-619.
8. Погорельцев А.И., Савенкова Е.Н., Перцев Н.Н. Внезапные стратосферные потепления: роль нор-мальных атмосферных мод // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 3. С. 387-403.
9. Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Klimenko M.V., et al. Modeling the effect of sudden stratospheric warming within the thermosphere-ionosphere system // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012. V. 90-91. P. 77-85.
10. Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000 // Radio Sci. 2001. V. 36, N 2. P. 261-275.
11. Chau J.L., Aponte N.A., Cabossa E. et al. Quiet time ionospheric variability over Arecibo during sudden stratospheric warming events // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G06. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015378.
12. Chau J.L., Goncharenko L.P., Fejer B.G., Liu H.L. Equatorial and low latitude ionospheric effects during sudden stratospheric warming events // Space Sci. Rev. 2011. DOI: 10.1007/ s11214-011-9797-5.
13. Fagundes P.R., Goncharenko L.P., de Abreu A.J., et al. Ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming over the equatorial, low, and middle latitudes in the South American sector // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. V. 120. P. 7889-7902. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA020649.
14. Fejer B.G., Tracy B.D., Olson M.E., Chau J.L. Enhanced lunar semidiurnal equatorial vertical plasma drifts during sudden stratospheric warmings // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. L21104. DOI:https://doi.org/10.1029/2011GL049788.
15. Fuller-Rowell T., Wang H., Akmaev R., et al. Forecasting the dynamic and electrodynamic response to the January 2009 sudden stratospheric warming // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. L13102. DOI:https://doi.org/10.1029/2011GL047732.
16. Fuller-Rowell T., Wu F., Akmaev R., et al. A whole atmosphere model simulation of the impact of a sudden stratospheric warming on thermosphere dynamics and electrodynamics // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G08. DOI: 10.1029/ 2010JA015524.;
17. Goncharenko L.P., Chau J.L., Liu H.-L., Coster A.J. Unexpected connection between the stratosphere and iono-sphere // Geophys. Res. Lett. 2010a. V. 37. L10101. DOI: 10.1029/ 2010GL043125.
18. Goncharenko L.P., Coster A.J., Chau J.L., Vallandares C.E. Impact of sudden stratospheric warming on equatorial ionization anomaly // J. Geophys. Res. 2010b. V. 115. A00G07. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015400.
19. Hedin A.E. Extension of the MSIS thermospheric model into the middle and lower atmosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 1991. V. 96. A2. P. 1159-1172.
20. Jin H., Miyoshi Y., Pancheva D., et al. Response of migrating tides to the stratospheric sudden warming in 2009 and their effects on the ionosphere studied by a whole atmosphere-ionosphere model GAIA with COSMIC and TIMED/SABER observations // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A10323. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017650.
21. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bessarab F.S., et al. Study of the thermospheric and ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming using TIME-GCM and GSM TIP models: First results // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. N 9. P. 7873-7888. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA020861.
22. Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Klimenko M.V., et al. The global thermospheric and ionospheric response to the 2008 minor sudden stratospheric warming event // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A10309. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA018018.
23. Kotova D.S., Klimenko M.V., Klimenko V.V., et al. Using IRI and GSM TIP model results as environment for HF radio wave propagation model during the geomagnetic storm occurred on September 26-29, 2011 // Adv. Space Res. 2015. V. 56. N 9. P. 2012-2029. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.05.009.
24. Liu H.-L., Wang W., Richmond A.D., Roble R.G. Ionospheric variability due to planetary waves and tides for solar minimum conditions // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G07. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA015188.
25. Liu H., Jin H., Miyoshi Y., Fujiwara H., Shinagawa H. Upper atmosphere response to stratosphere sudden warming: Local time and height dependence simulated by GAIA model // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40, P. 635-640. DOI:10.1002/ grl.50146.
26. Mbatha N., Sivakumar V., Malinga S.B., et al. Study on the impact of sudden stratosphere warming in the upper mesosphere - lower thermosphere regions using satellite and HF radar measurements // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 3397-3404.
27. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere-ionosphere coupling paradigm // J. At-mos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. N 13. P. 1697-1702. DOI: 10.1016/ j.jastp.2011.03.006.
28. Pedatella N.M., Fang T.-W., Jin H., et al. Multimodel comparison of the ionosphere variability during the 2009 sudden stratosphere warming // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 7204-7225. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA022859.
29. Pedatella N.M., Maute A. Impact of the semidiurnal lunar tide on the midlatitude thermospheric wind and ionosphere during sudden stratosphere warmings // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. V. 120. P. 10,740-10,753. DOI: 10.1002/ 2015JA021986.
30. Polyakova A.S., Chernigovskaya M.A., Perevalova N.P. Ionospheric effects of sudden stratospheric warmings in eastern Siberia region // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 120. P. 15-23. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2014.08.011.
31. Shpynev B.G., Kurkin V.I., Ratovsky K.G., et al. High-midlatitude ionosphere response to major stratospheric warming // EPS. 2015. V. 67, N 18. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-015-0187-1.
32. Wang H., Akmaev R.A., Fang T.-W., et al. First forecast of a sudden stratospheric warming with a coupled whole-atmosphere/ionosphere model IDEA // J. Geophys. Res. Space Phys. 2014. V. 119. P. 2079-2089. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA019481.
33. Woollings T., Charlton-Perez A., Ineson S., et al. Associations between stratospheric variability and tropo-spheric blocking // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. D6. DOI: 10.1029/ 2009JD012742.
34. Yiğit E., Medvedev A.S. Internal wave coupling processes in Earth’s atmosphere // Adv. Space Res. 2015. V. 55, N 5. P. 983-1003. DOI: 0.1016/j.asr.2014.11.020.
35. Yue X., Schreiner W.S., Lei J. et al. Global ionospheric response observed by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G09. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015466.
