Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
По данным ионозондов, расположенных в Восточной Азии, и картам полного электронного содержания проведен сравнительный анализ ионосферных возмущений, сопровождавших сильные геомагнитные бури 14–16 декабря 2006 г. и 19–22 декабря 2015 г. Бури имели близкие интенсивности (Dstmin=–162 и –155 нТл), но разные продолжительности главных фаз (2.5 и 19 ч). В начале обеих бурь исследуемая нами область находилась в окрестности полуночного меридиана. Отклики ионосферы на магнитные бури различались: 1) ростом критической частоты F2-слоя ионосферы на субавроральных широтах, вызванным активизацией авроральных высыпаний, в начальную фазу первой бури и отсутствием этого эффекта во время второй бури; 2) резким спадом критической частоты в вечерние часы главной фазы второй бури, связанным со смещением главного ионосферного провала на меньшие широты, и отсутствием этого эффекта во время первой бури; 3) кратковременным положи-тельным возмущением, наблюдавшимся в субавроральных широтах только в раннюю восстановительную фазу первой бури после отрицательного ионосферного возмущения. В течение обеих бурь в средних широтах наблюдались положительные возмущения и волнообразные флуктуации критической частоты, усиливавшиеся в окрестности утреннего меридиана. Показано, что главными причинами различий между двумя ионосферными бурями являются различия между начальными состояниями магнитосферно-ионосферной системы и продолжительностями главных фаз магнитных бурь.
сильные магнитные бури, межпланетные драйверы, эффекты зимних ионосферных бурь
ВВЕДЕНИЕ
Реакция магнитосферно-ионосферной системы на межпланетные неоднородности проявляется в экстремальных случаях в виде геомагнитных бурь и сопровождающих их ионосферных возмущений, называемых ионосферными бурями [Брюнелли, Намгаладзе, 1988]. Пространственно-временная динамика магнитосферно-ионосферных бурь зависит от множества внешних и внутренних факторов. Основными внешними факторами считаются тип и мощность межпланетных драйверов бурь, а также время их воздействия на магнитосферу Земли. К внутренним факторам относят исходное состояние магнитосферно-ионосферной системы, время года, всемирное время начала бури (UT), географическое и геомагнитное положение наблюдательного пункта, его местное время (LT) в момент начала бури и т. д. [Buonsanto, 1999; Goodman, 2005; Sharma et al., 2005; Mendillo, 2006; Kalita et al., 2016].
Геоэффективность межпланетных структур оценивают по плотности (Nsw) и скорости (Vsw) солнечного ветра, азимутальной (By) и вертикальной (Bz) компонентам межпланетного магнитного поля (ММП) [Lee et al., 2004; Clauer et al., 2006; Gonzalez et al., 2011; Tsurutani et al., 2014]. Для оценки используют спутниковые данные, полученные перед околоземной ударной волной или вблизи точки либрации L1 системы Солнце — Земля. Интенсивность магнитной бури определяют по экстремальным значениям Dst-, SYM-H- и Kp-индексов.
Для изучения ионосферной бури обычно используют параметры fоF2 или NmF2=1.24E4·fоF22. Здесь fоF2 — критическая частота F2-слоя ионосферы, измеряемая станциями вертикального зондирования. По разности между текущими и фоновыми значениями fоF2/NmF2 определяют тип ионосферного возмущения, развивающегося в исследуемой области ионосферы [Брюнелли, Намгаладзе, 1988; Buonsanto, 1999; Goodman, 2005]. В работе [Rodger et al., 1989] для оценки состояния ионосферы предложено использовать индекс возмущенности ln(N/N0), где N — текущее, а N0 — фоновое (измеренное в магнитоспокойные дни) значение NmF2. В работах [Wang et al., 2014; Chen et al., 2014] предложен метод определения локального и планетарного индексов ионосферной возмущенности по апериодической составляющей рядов fоF2. Однако пока эти индексы не получили широкого распространения.
Важно отметить, что недостаточное пространственное разрешение данных, получаемых с помощью наземных и спутниковых ионозондов, не позволяет воспроизвести глобальную картину развития ионосферной бури. Для устранения этого недостатка в большинстве современных исследований используются данные по полному электронному содержанию (ПЭС) [Mendillo, 2006; Borries et al., 2016; Dmitriev et al., 2017]. Однако во время магнитных бурь вариации ПЭС могут значительно отличаться от вариаций Nm F2 (см., например, статью [Liu et al., 2016] и цитированную в ней литературу). Это ставит под сомнение правомерность использования данных по ПЭС при разработке и тестировании моделей, адекватно отражающих динамику возмущенной ионосферы и, соответственно, условий распространения радиоволн. Кроме того, интегральный характер значений ПЭС не позволяет следить за изменениями электронной концентрации в Е-области ионосферы, которая, наряду с F-областью, сильно влияет на условия распространения радиоволн. Поэтому исследование ионосферы с помощью ионозондов по-прежнему актуально.
Задача нашей работы — сравнить реакцию ионосферы на сильные геомагнитные бури 14–16 декабря 2006 г. и 19–22 декабря 2015 г. Эти бури близки по интенсивности, сезону и времени начала. Актуальность сравнительного анализа близких по сезону событий и результатов их моделирования обоснована в работах [Kalita et al., 2016; Zhang et al., 2017; Dmitriev et al., 2017], посвященных сильным магнитным бурям 17–19 марта 2013 г. и 2015 г. с минимальными значениями Dstmin=–132 и –222 нТл соответственно. Авторы последней из указанных работ дополнительно рассмотрели умеренную бурю 8–9 марта 2008 г. (Dstmin=–86 нТл). Они получили количественное соответствие между рассчитанными по модели ГСМ ТИП (Глобальная самосогласованная модель термосферы, ионосферы и протоносферы) и экспериментальными значениями NmF2 для бури 2008 г., качественное для бури 2013 г. и полное несоответствие для бури 2015 г., самой сильной из рассмотренных. Ранее значительные расхождения между измеренными и полученными с помощью наиболее известных моделей значениями ионосферных параметров для сильных магнитных бурь были отмечены в обзоре [Buonsanto, 1999]. Это указывает на необходимость выявления всех взаимосвязей между гелиосферно-магнитосферно-ионосферно-термосферными процессами, которые должны быть учтены при моделировании отклика ионосферы на сильную магнитную бурю.
Наше исследование базируется на данных, полученных наземными ионозондами в одном и том же регионе Восточной Азии. Это дает нам возможность частично исключить перечисленные выше внутренние факторы и тем самым уточнить связи между ионосферными бурями, магнитными бурями и их межпланетными драйверами. Для более детального исследования данные вертикального зондирования будут дополнены данными, полученными на радиотрассах, проходящих через исследуемую область, и данными по ПЭС, полученными с помощью системы GPS. Кроме того, использование сети ионозондов, охватывающей широты от 18° до 69° N, позволит нам получить новую информацию о взаимосвязях между процессами, вызывающими ионосферные возмущения в различных широтных зонах.
Наша статья организована следующим образом. В части 1 мы сравним основные характеристики магнитных бурь и их межпланетных драйверов; в части 2 — отклики ионосферы на магнитные бури. В части 3 мы обсудим возможные причины различий в динамике ионосферных возмущений в течение двух бурь; в части 4 подведем итоги исследования.
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
2. Дриацкий В.М. Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере высоких широт. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 224 с.
3. Жеребцов Г.А., Пирог О.М., Разуваев О.И. Структура и динамика высокоширотной ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1986. Вып. 76. С. 165-177.
4. Романова Е.Б., Тащилин А.В. Моделирование структурных особенностей распределения концентрации электронов в плазмосфере // Солнечно-земная физика. 2013. Т. 22. С. 21-23.
5. Тащилин А.В., Романова Е.Б. Моделирование свойств плазмосферы при спокойных и возмущенных условиях // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 1. С. 13-22. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794014010167.
6. Akasofu S.I. Energy coupling between the solar wind and the magnetosphere // Space Sci. Rev. 1981. V. 28. P. 121-190.
7. Bargatze L.F., Baker D.N., McPherron R.L., Hones E.V. Magnetospheric impulse response for many levels of geomagnetic activity // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 6387-6394. DOI:https://doi.org/10.1029/JA090iA07p06387.
8. Baumjohann W., Kamide Y. Hemispherical Joule heating and the AE indices // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 383-388.
9. Borovsky J.E., Denton M.H. Solar wind turbulence and shear: A superposed-epoch analysis of corotating interaction regions at 1 AU // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A10101. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014966.
10. Borries C., Mahrous A.M., Ellahouny N.M., Badeke R. Multiple ionospheric perturbations during the Saint Patrick’s Day storm 2015 in the European-African sector // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 11333-11345. DOI: 10.1002/ 2016JA023178.
11. Buonsanto M.J. Ionospheric storms - a review // Space Sci. Rev. 1999. V. 88. P. 563-601. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1005107532631.
12. Chen Z., Wang J.-S., Huang C.-M., Huang L.-F. A new pair of indices to describe the relationship be-tween ionospheric disturbances and geomagnetic ac-tivity // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. V. 119. P. 10156-10163. DOI:https://doi.org/10.1002/20 14JA020438.
13. Chun F.K., Knipp D.J., McHard M.G., Lacey J.R. Joule heating patterns as a function of polar cap index // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. N A7. P. 1119. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA000246.
14. Clauer C.R., Cai X., Welling D., et al. Characterizing the 18 April 2002 storm-time sawtooth events using ground magnetic data // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. A04S90. DOI: 10.1029/ 2005JA011099.
15. Dmitriev A.V., Suvorova A.V., Klimenko M.V., et al. Predictable and unpredictable ionospheric dis-turbances during St. Patrick’s Day magnetic storms of 2013 and 2015 and on 8-9 March 2008 // J. Ge-ophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 2398-2423. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023260.
16. 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. P. 18639-18654.
17. Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V., Roble R.G., Rich-mond A.D. How does the thermosphere and ionosphere react to a geomagnetic storm? // Magnetic Storms / Eds. B.T. Tsurutani, W.D. Gonzalez, Y. Ka-mide, J.K. Arballo. Washington, 1997. P. 203-226. (AGU Monograph. V. 98). DOI:https://doi.org/10.1029/GM098.
18. Gonzalez W.D., Tsurutani B.T., Lepping R.P., Schwenn R. Interplanetary phenomena associated with very intense geomagnetic storms // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002. V. 64. P. 173-181.
19. Gonzalez W.D., Echer E., Tsurutani B.T., et al. In-terplanetary origin of intense, superintense and ex-treme geomagnetic storms // Space Sci. Rev. 2011. V. 158. P. 69-89. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-010-9715-2.
20. Goodman J.M. Space Weather & Telecommunica-tions. New York: Springer, 2005. 382 р.
21. Huang C.M. Disturbance dynamo electric fields in re-sponse to geomagnetic storms occurring at different universal times // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. Р. 5149-5156. DOI:https://doi.org/10.1029/2012 JA018118.
22. Kalita B.R., Hazarika R., Kakoti G., et al. Conjugate hemisphere ionospheric response to the St. Patrick’s Day storms of 2013 and 2015 in the 100° E longitude sector // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 11364-11390. DOI: 10.1002/ 2016JA023119.
23. Kamide Y., Winningham J.D. A statistical study of the “instantaneous” night side auroral oval: the equatorial boundary of electron precipitation as observed by the Isis-1 and 2 satellites // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. 5573-5585. DOI:https://doi.org/10.1029/JA082 i035p05573.
24. Kamide Y., Maltsev Y.P. Geomagnetic storms // Handbook of the Solar-Terrestrial Environment. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. P. 355-374. DOI:https://doi.org/10.1007/11367758_14.
25. 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.
26. Lee D.-Y., Lyons L.R., Yumoto K. Sawtooth oscilla-tions directly driven by solar wind dynamic pressure enhancements // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A04202. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA0 10246.
27. Lei J., Burns A.G., Tsugawa T., et al. Observations and simulations of quasiperiodic ionospheric oscilla-tions and large-scale traveling ionospheric disturb-ances during the December 2006 geomagnetic storm // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A06310. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013090.
28. Levitin A.E., Gromova L.I., Gromov S.V., Dremukhina L.A. Kp-index and local high-latitudinal geomagnetic activity // Proc. the 9th International Conference “Problems of Geocosmos”. Saint-Petersburg, Petrodvorets, October 8-12, 2012. Saint-Petersburg, 2012. P. 295-300.
29. Liu J., Wang W., Burns A., et al. Profiles of iono-spheric storm-enhanced density during the 17 March 2015 great storm // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. P. 727-744. DOI: 10.1002/ 2015JA021832.
30. Marmet P. New digital filter for the analysis of ex-perimental data // Rev. Sci. Instrum. 1979. 50. P. 79-83.
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. Pirog O.M., Polekh N.M., Zherebtsov G.A., et al. Seasonal variations of the ionospheric effects of ge-omagnetic storms at different latitudes of East Asia // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 1075-1080.
33. Prölss G.W., Brace L.H., Mayr H.G., et al. Iono-spheric storm effects at subauroral latitudes: a case study // J. Geo-phys. Res. 1991. V. 96. A2. P. 1275-1288.
34. Prölss G.W. Ionospheric F-region storms: unsolved problems characterising the Ionosphere: Meeting Pro-ceedings RTO-MP-IST-056, Paper 10. Neuilly-sur-Seine, France: RTO, 2006. P. 10-1-10-20. Available from: http://www.rto.nato.int/abst-racts.asp (дата обращения 25 апреля 2018 г.).
35. Rodger A.S., Wrenn G.L., Rishbeth H. Geomagnetic storms in the Antarctic F-region. II. Physical inter-pretation // J. Atmos. Terr. Phys. 1989. V. 51. P. 851-866.
36. Sharma A.S., Baker D.N., Borovsky J.E. Nonequi-librium 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.
37. Tereshchenko V.D., Vasiljev E.B., Ogloblina O.F., et al. The response of the polar lower ionosphere to powerful solar flares on December 5-14, 2006 // Physics of Auroral Phenomena: Proc. XXX Annual Seminar. Apatity, 2007. P. 196-198.
38. Troshichev O.A., Kotikov A.L., Bolotinskaya B.D., Andrezen V.G. Influence of the IMF azimuthal component on magnetospheric substorm dynamics // J. Geomag. Geoelectr. 1986. V. 38. P. 1075-1088.
39. Troshichev O.A., Janzhura A.S., 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:https://doi.org/10.1029/2005 JA011402.
40. Tsurutani B.T., Gonzalez W.D. The interplanetary causes of magnetic storms: a review // Magnetic storms / Eds. B.T. Tsurutani, W.D. Gonzalez, Y. Kamide, J.K. Arballo. Washington, 1997. P. 77-89. (AGU Monograph. V. 98). DOI:https://doi.org/10.1029/GM098.
41. Tsurutani B.T., Echer E., Shibata K., et al. The inter-planetary causes of geomagnetic activity during the 7-17 March 2012 interval: a CAWSES II overview // J. Space Weather and Space Climate. 2014. V. 4. A02. DOI:https://doi.org/10.1051/swsc/2013056.
42. Velichko V.A., Boroyev R.N., Gelberg M.G., et al. North-south asymmetry of the substorm intensity de-pending on the IMF By-component // Earth, Planets and Space. 2002. V. 54, N 10. P. 955-961. DOI:https://doi.org/10.1186/BF03352443.
43. Wang J.-S., Chen Z., Huang C.-M. A method to identify aperiodic disturbances in the ionosphere // Ann. Geophys. 2014. V. 32. P. 563-569. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-32-563-2014.
44. Yue C., Zong Q.G., Zhang H., et al. Geomagnetic activity triggered by interplanetary shocks // J. Ge-ophys. Res. 2010. V. 115, A00I05. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015356.
45. Zhang S.-R., Zhang Y., Wang W., Verkhoglyadova O.P. Geospace system responses to the St. Patrick’s Day storms in 2013 and 2015 // J. Geophys. Res. 2017. V. 122. P. 6901-6906. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024232.
46. Zhou X., Tsurutani B.T. Interplanetary shock trigger-ing of nightside geomagnetic activity: substorms, pseudobreakups, and quiescent events // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 18957-18967. DOI:https://doi.org/10.1029/2000JA003028.
47. Zolotukhina N., Polekh N., Kurkin V., et al. Magne-tospheric disturbances associated with the 13 De-cember 2006 solar flare and their ionospheric effects over North-East Asia // Adv. Space Res. 2012. V. 49. P. 883-897.
48. URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (дата обращения 11 ноября 2016).
49. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html (дата обращения 21 января 2018).
50. URL: http://www.solen.info/solar/old_reports (дата обращения 2 ноября 2016).
51. URL: https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (дата об-ращения 31 мая 2016).
52. URL: http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation/ovation_ dis-play.html (дата обращения 6 декабря 2017).
53. URL: http://geophys.aari.ru/real_rio_arc.htm (дата обращения 25 января 2018).
54. URL: http://guvitimed.jhuapl.edu/guvi-galleryl3on2 (дата обращения 12 апреля 2018).
55. URL: http://ulcar.uml.edu/DIDBase (дата обращения 12 апреля 2018).
56. URL: http://wdc.nict.go.jp/IONO/HP2009/ISDJ/index-E.html (дата обращения 12 апреля 2018).
57. URL: http://stdb2.stelab.nagoya-u.ac.jp/mm210 (дата обращения 12 апреля 2018).
58. URL: http://pc-index.org (дата обращения 12 апреля 2018).
59. URL: http://guvitimed.jhuapl.edu (дата обращения 12 апреля 2018)
