Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В настоящей работе с использованием данных полного электронного содержания (ПЭС) проведен анализ ионосферных возмущений, возбуждаемых во время прохождения солнечного терминатора (СТ), в периоды действия тропических циклонов. Было рассмотрено 16 интенсивных тропических циклонов (тайфунов), наблюдаемых в северо-западной части Тихого океана вблизи территории Японии. Выполнен анализ двумерных распределений числа зарегистрированных волновых пакетов (ВП) в зависимости от разных параметров: местного времени, максимальной амплитуды пакетов, расстояния до тайфуна. Показано, что в большинстве случаев максимальное число ВП наблюдается на расстоянии менее 500–1500 км от центра тайфунов и локализовано в окрестности времени прохождения вечернего СТ. Для тайфунов, действовавших в осенние периоды, максимум числа ВП регистрируется в дневные часы местного времени, и, по-видимому, не связан с СТ. Распределения числа ВП в зависимости от их амплитуды для всех рассмотренных случаев подобны, с максимумом вблизи значения ~0.2 TECU. При этом для некоторых тайфунов наблюдалось большое число ВП с амплитудой до 0.6–0.8 TECU, что существенно выше амплитуд ВП, характерных для спокойного времени. Кратко обсужден механизм возможного взаимодействия ионосферных возмущений, вызванных двумя различными источниками: тропическими циклонами и движением СТ.
волновые пакеты, ПЭС, тайфуны, солнечный терминатор, ионосферные возмущения, ГНСС
ВВЕДЕНИЕ
Ионосфера представляет собой сложную динамическую систему, поведение которой связано не только с изменениями гелио- и геомагнитных факторов, но и с состоянием нейтральной атмосферы. В связи с этим исследование взаимосвязанных процессов, протекающих в нижней и верхней атмосфере Земли, является одной из приоритетных геофизических и метеорологических задач. Установлено, что в спокойных геомагнитных условиях изменчивость электронной концентрации ионосферы, связанная с влиянием метеорологических факторов, может достигать 35 % от фонового уровня ионизации [Forbes et al., 2000].
Основным механизмом передачи энергии возмущения от тропосферы на ионосферные высоты являются внутренние атмосферные волны различных масштабов: приливы, планетарные волны, внутренние гравитационные волны (ВГВ) [Lastovicka, 2006]. При определенных условиях ВГВ могут достигать высот ионосферы, вызывая возмущения электронной концентрации, которые регистрируются как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) [Kazimirovsky, 2002]. Среди источников ВГВ в нижней нейтральной атмосфере в литературе отмечались струйные течения, цунами, метеорологические штормы, тропические циклоны и т. д.
Тропические циклоны (ТЦ) являются мощными вихревыми структурами в тропосфере, эволюция которых сопровождается генерацией ВГВ различных масштабов. В ряде экспериментальных и теоретических работ показано, что над зонами действия ТЦ в мезосфере и нижней термосфере могут наблюдаться ВГВ с периодами от 2 мин до 6 ч и пространственными масштабами от 15 до 1000 км. [Chane-Ming et al., 2002; Pfister et al., 1993; Kim et al., 2005; Kuester et al., 2008]. Волновые возмущения с периодами от 2 до 90 мин над областями существования ТЦ регистрировались также в электронной концентрации ионосферы различными радиофизическими методами [Xiao et al., 2007; Bertin et al., 1975; Huang et al., 1985; Bishop et al., 2006; Polyakova, Perevalova 2011, 2013]. Выявлен ряд особенностей этих возмущений: их интенсивность макси-мальна в периоды обтекания береговой линии воздушными массами циклона, а также в моменты быстрых изменений скорости ветра в ТЦ [Xiao et al., 2007; Zakharov, Kunitsyn, 2012]. Bertin et al. [1975] показали, что ПИВ распространялись преимущественно против направления фонового ветра на высоте ионосферы, что свидетельствует в пользу их связи с ВГВ [Medvedev et al., 2017].
Отметим, что мощные ТЦ, для которых скорость ветра V>74 узлов (1 узел=1 морская миля/ч, или 0.5144 м/с), наблюдаемые в северо-западной акватории Тихого океана, принято также называть тайфунами.
В отличие от ТЦ движение солнечного терминатора (СТ) является регулярным источником волновых возмущений в атмосфере и ионосфере. Ранние работы по исследованию состояния ионосферы в области прохождения СТ [Hines, 1960; Francis, 1974] показали, что движение СТ вызывает генерацию волн, а также возникновение неустойчивостей и флуктуаций в ионосферной плазме. Это послужило поводом для про-ведения целого ряда исследований ионосферных параметров во время прохождения СТ [Mishin et al., 1991; Somsikov, Ganguly, 1995; Galushko et al., 1998].
Использование технологии радиозондирования ионосферы сигналами глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) позволило авторам работ [Afraimovich et al., 2003; Afraimovich et al., 2009a, 2009b] обнаружить, что движение СТ сопровождается генерацией в ионосфере среднемасштабных возмущений особого типа — волновых пакетов (ВП), проявляющихся в форме узкополосных колебаний полного электронного содержания (ПЭС). Предложена и теоретически обоснована модель генерации магнитогидродинамических (МГД) возмущений плазмы в системе ионосфера—плазмосфера, позволяющая объяснить наблюдаемые колебания ПЭС. В рамках этой модели предполагается, что движение СТ приводит к генерации токов в проводящем слое ионосферы, являющихся источником волн медленного магнитного звука (ММЗ). Был предложен также механизм переноса генерируемых СТ возмущений вдоль магнитных силовых линий в другое полушарие [Leonovich et al., 2010]. Дальнейшие исследования показали [Edemskiy, Yasyukevich, 2011], что возмущения ПЭС, связанные с прохождением СТ, могут иметь более сложную структуру, являясь, по-видимому, суперпозицией колебаний ионосферной плазмы, вызванных прохождением не только МГД-волн, но и гравитационных.
Поскольку ТЦ и движение СТ являются источниками генерации атмосферных волн разного типа, но схожих временных масштабов, предполагается, что при одновременном существовании данных явлений в ионосфере может возникать взаимодействие возмущений, вызываемых этими источниками. Так, в работе [Belyaev et al., 2015] на основе спутниковых измерений электронной концентрации показано, что состояние ионосферы вблизи СТ модифицируется в периоды прохождения мощных ТЦ над поверхностью суши. Однако результаты этой работы получены на основе анализа ограниченного количества данных, что не позволяет достоверно выявить наличие возможного взаимодействия.
В работе [Полякова, Ясюкевич, 2016] были представлены пространственные карты вариаций ПЭС во время прохождения тайфуна HALONG, наглядно показывающие увеличение амплитуды волновых возму-щений, вызванных движением СТ, относительно метеоспокойных дней. Подобный результат получен в работе [Chou et al., 2017a] для тайфуна NEPATRAK. В этой статье отчетливо наблюдаются МГД-волны, вы-званные, по нашему мнению, прохождением СТ (имеют характерные наклон волнового фронта и время по-явления), и концентрические ВГВ, связанные с действием циклона. Авторы сделали вывод о взаимодействии этих волновых возмущений и предложили его возможный механизм. На наш взгляд, они неверно идентифицировали волны, генерируемые прохождением СТ, поэтому предложенный ими механизм не подходит для данного случая.
Таким образом, вопрос о возможном воздействии ТЦ на интенсивность и структуру ПИВ, генерируемых движением СТ, требует более тщательного анализа с привлечением большой статистики наблюдений. В настоящей работе с применением данных ГНСС-зондирования ионосферы проведен анализ ВП, наблюдаемых во время прохождения СТ, в периоды действия 16 тропических циклонов разной интенсивности.
1. Едемский И.К., Воейков С.В., Ясюкевич Ю.В. Сезон-ные и широтные вариации параметров волновых возму-щений МГД-природы, генерируемых солнечным термина-тором // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 107-116.
2. Полякова А.С., Ясюкевич Ю.В. Изменение интен-сивности отклика ионосферы на прохождение солнечного терминатора в периоды действия тропических циклонов // XXV Всероссийская конференция «Распространение радиоволн», посвященная 80-летию отечественных ионосферных исследований: Труды. Томск, 2016. Т. 1. С. 113-166.
3. Ясюкевич А.С., Падохин А.М., Мыльникова А.А., Ясюкевич Ю.В., Воейков С.В., Терешин Н.А. Изменения интенсивности волновых вариаций ПЭС различных периодов во время действия тропических циклонов // Ученые записки физического факультета МГУ. 2018. № 1. (В печати).
4. Ясюкевич Ю.В., Перевалова Н.П., Едемский И.К., Полякова А.С. Отклик ионосферы на гелио- и геофизи-ческие возмущающие факторы по данным GPS. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. 271 с.
5. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Leonovich A.S., Leonovich L.A., Voeykov S.V., Yasyukevich Y.V. MHD nature of night-time MSTIDs excited by the solar terminator // Geophys. Res. Let. 2009a. V. 36. L15106. DOI:https://doi.org/10.1029/2009GL039803.
6. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Voeykov S.V., Yasyukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator // Adv. Space Res. 2009b. V. 44. P. 824-835. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.05.017.
7. Afraimovich E.L., Perevalova N.P., Voyeikov S.V. Trave-ling wave packets of total electron content disturbances as deduced from global GPS network data // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2003. V. 65, Iss. 11-13. P. 1245-1262. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2003.08.007.
8. Belyaev G., Boychev B., Kostin V., Trushkina E., Ovcharenko O. Modification of the ionosphere near the terminator due to the passage of a strong tropical cyclone through the large Island // Sun and Geosphere. 2015. V. 10. P. 31-38.
9. Bertin F., Testud J., Kersley L. Medium scale gravity waves in the ionospheric F-region and their possible origin in weather disturbances // Planet. Space Sci. 1975. V. 23. P. 493-507. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(75)90120-8.
10. Bishop R.L., Aponte N., Earle G.D., Sulzer M., Larsen M.F., Peng G.S. Arecibo observations of ionospheric perturbations associated with the passage of Tropical Storm Odette // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. A11320. DOI: 10.1029/ 2006JA011668.
11. Chane-Ming F., Roff G., Robert L., Leveau J. Gravity wave characteristics over Tromelin Island during the passage of cyclone Hudah // Geophys. Res. Let. 2002. V. 29. N 6. CiteID 1094. DOI:https://doi.org/10.1029/2001GL013286.
12. Chou M.Y., Lin C. H., Yue J., Chang L. C., Tsai H.F., Chen C.H. Medium-scale traveling ionospheric disturbances trig-gered by Super Typhoon Nepartak (2016) // Geophys. Res. Let. 2017a. V. 44. P. 7569-7577. DOI:https://doi.org/10.1002/2017GL073961.
13. Chou M.Y., Lin C. C. H., Yue J., Tsai H.F., Sun Y.Y., Liu J.Y., Chen C.H. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016) // Geophys. Res. Let. 2017b. V. 44. P. 1219-1226. DOI:https://doi.org/10.1002/2016GL072205.
14. Edemskiy I.K., Yasyukevich Y.V. Duration of wave disturbances generated by solar terminator in magneto-conjugate areas // Proc. XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium. Istanbul, 2011, pp. 1-4. DOI: 10.1109/ UR-SIGASS.2011.6051003.
15. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. P. 685-693. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00029-8.
16. Francis S. H. A theory of medium-scale traveling ionospheric disturbances // J. Geophys. Res. 1974. V. 79, N 34. P. 5245-5260. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079i034p05245.
17. Galushko V.G., Paznukhov V.V., Yampolski Y.M., Foster J.C. Incoherent scatter radar observations of AGW/TID events generated by the moving solar terminator // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 821-827. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-998-0821-3.
18. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights // Canadian J. Phys. 1960. V. 38, N 11. P. 1441-1481. DOI:https://doi.org/10.1139/p60-150.
19. Huang Y.N., Cheng K., Chen S.W. On the detection of acoustic gravity waves generated by typhoon by use of real time HF Doppler frequency shift sounding system // Radio Sci. 1985. V. 20. P. 897-906. DOI:https://doi.org/10.1029/RS020i004p00897.
20. Kazimirovsky E.S. Coupling from below as a source of ionospheric variability: a review // Ann. of Geophys. 2002. V. 45, N 1. P. 1-29.
21. Kim S.-Y., Chun H.-Y., Baik J.-J. A numerical study of gravity waves induced by convection associated with Typhoon Rusa // Geophys. Res. Let. 2005. V. 32. P. L24816. DOI: 10.1029/ 2005GL024662.
22. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users // IEEE Trans. Aerospace and Electronics System. 1986. V. 23, N 3. P. 325-331.
23. Kuester M.A., Alexander M.J., Ray E.A. A Model Study of Gravity Waves over Hurricane Humberto (2001) // J. At-mosph. Sci. 2008. V. 65, N 10. P. 3231-3246. DOI: 10.1175/ 2008JAS2372.1.
24. Lastovicka J. Forcing of the ionosphere by waves from below // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68. P. 479-497. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.01.018.
25. Leonovich A.S., Kozlov D.A., Edemskiy I.K. Standing slow magnetosonic waves in a dipole-like plasmasphere // Planetary and Space Sci. 2010. V. 58, N 11. P. 1425-1433. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2010.06.007.
26. Medvedev А.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 7567-7580. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024103.
27. Mishin E.V., Epishova A.E., Ishkova L.M., Kova-levskaya E.M., Kozlov E.F., Kolokolov L.E., Rubtsov L.N., Samorokin N.I., Sidorova L.N., Somsikov V.M., Telegin V.A., Yudovich L.A. Disturbances of F-region electron density following solar terminator during the WITS period of 16-20 March 1988 // J. Atmosph. Terr. Phys. 1991. V. 53, Iss. 6-7. P. 643-648. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(91)90091-K.
28. Pfister L., Chan K.R., Bui T.P., Bowen S., Legg M., Gary B., Kelly K., Proffitt M., Starr W. Gravity waves generated by a tropical cyclone during the STEP tropical field program: A case study // J. Geophys. Res. 1993. V. 98, N D5. P. 8611-8638. DOI:https://doi.org/10.1029/92JD01679.
29. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR Reanalysis data // Adv. Space Res. 2011. V. 48. P. 1196-1210. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014.
30. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Comparative Analysis of TEC Disturbances over Tropical Cyclone Zones in the North-West Pacific Ocean // Adv. Space Res. 2013. V. 52. P. 1416-1426. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014.
31. Somsikov V.M., Ganguly B. On the formation of atmo-spheric inhomogeneities in the solar terminator region // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V. 57, Iss. 12. P. 1513-1523. DOI: 10.1016/ 0021-9169(95)00014-S.
32. Xiao Z., Xiao S., Hao Y., Zhang D. Morphological features of ionospheric response to typhoon // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. P. A04304. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011671.
33. 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. V. 52, N 4. P. 533-545. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793212040160.
34. URL: http://rammb.cira.colostate.edu (дата обращения 11 ноября 2017 г.).
35. URL: http://terras.gsi.go.jp (дата обращения 1 июня 2017 г.).
