Иркутск, Россия
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
Наши предыдущие исследования показали наличие положительных возмущений электронной концентрации в дневное время через несколько дней после начала фазы восстановления. Целью статьи является исследование эффектов последействия геомагнитных бурь, т. е. ионосферных эффектов, наблюдаемых на 3–5-й день после начала фазы восстановления бури. На основе численных расчетов с помощью модели ГСМ ТИП выявлены основные механизмы формирования эффектов последействия. С использованием данных ионозондов, расположенных в Иркутске (52° N, 104° E) и Калининграде (54° N, 20° E), проведен статистический анализ дневных ионосферных откликов на геомагнитные бури. В результате анализа получены усредненные ионосферные оклики в начале фазы восстановления бури и в течение пяти последующих дней. Результаты статистического анализа вблизи начала фазы восстановления хорошо согласуются с известными ионосферными эффектами геомагнитных бурь, выявленными другими исследователями. Впервые полученная статистика ионосферных откликов, наблюдаемых на 3–5-й день после начала фазы восстановления, позволила выявить зависимость эффектов последействия геомагнитных бурь от сезона, интенсивности бури и геомагнитной широты ионозонда. Также впервые в данной работе представлена физическая интерпретация формирования ионосферных эффектов последействия геомагнитных бурь, основанная на анализе результатов модельных расчетов.
геомагнитная буря, эффекты последействия геомагнитных бурь, статистика, модель ГСМ ТИП
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании ионосферных откликов на геомагнитные бури обычно рассматриваются возмущения, наблюдаемые на главной фазе бури, поскольку ионосферные возмущения наиболее интенсивны именно в этот период [Buonsanto, 1999; Mendillo, 2006; Prölss, 1995, 2008]. Отрицательные возмущения электронной концентрации в F-области ионосферы на начальных этапах фазы восстановления геомагнитных бурь являются одним из наиболее исследованных явлений [Prölss, 1995]. Напротив, положительные ионосферные возмущения на фазе восстановления геомагнитных бурь представляют собой наименее исследованную область отклика верхней атмосферы на геомагнитные бури, которая изучается только последние пять лет [Клименко и др., 2015; Balan et al., 2013; Suvorova et al., 2013]. Поведение же ионосферы на более поздних стадиях фазы восстановления и после окончания геомагнит-ной бури вообще практически не исследовалось. Однако модельные расчеты и наблюдения ионосферных эффектов геомагнитных бурь 26 сентября 2011 г. (Dst=–118 нТл) и 17 марта 2015 г. (Dst=–223 нТл) показали наличие достаточно интенсивных положительных возмущений электронной концентрации, которые наблюдались в дневное время на 3–5-й день после начала фазы восстановления геомагнитных бурь [Клименко и др., 2015; Klimenko et al., 2017, 2018]. Далее мы будем называть этот период фазой последействия геомагнитных бурь, а дневные ионосферные эффекты, наблюдающиеся на 3–5-й день после начала фазы восстановления бури, эффектами последействия геомагнитных бурь.
Расчеты параметров верхней атмосферы [Клименко и др., 2015; Klimenko et al., 2017, 2018] с использованием Глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) [Намгаладзе и др., 1990; Клименко и др., 2006; Korenkov et al., 1998] показали, что основной причиной положительных эффектов последействия является рост отношения концентрации атомарного кислорода к концентрации молекулярного азота n(O)/n(N2). Этот результат оказался неожиданным, поскольку хорошо известным эффектом на фазе восстановления геомагнитной бури является обратный эффект — уменьшение отношения n(O)/n(N2) и, как следствие, отрицательное возмущение элек-тронной концентрации [Prölss, 1995]. На самом деле никакого противоречия между результатами расче-тов модели ГСМ ТИП и общепринятыми представлениями нет: отрицательное возмущение n(O)/n(N2) характерно для главной фазы бури и первых дней фазы восстановления, тогда как положительное воз-мущение n(O)/n(N2) указывает на окончание фазы восстановления и является эффектом последействия геомагнитных бурь. Таким образом, возмущение n(O)/n(N2), равно как и возмущение электронной концентрации, подобно колебаниям маятника, переходит из отрицательной фазы в положительную в течение нескольких дней после начала фазы вос-становления бури. Детальный анализ механизмов формирования эффектов последействия будет изложен в следующем разделе.
Ранее полученные результаты [Клименко и др., 2015; Klimenko et al., 2017, 2018] оставили открытым вопрос о том, являются ли эффекты после-действия следствием особенностей сценариев рассмотренных геомагнитных бурь 26 сентября 2011 г. и 17 марта 2015 г., или же они характерны для всех геомагнитных бурь. Для ответа на этот вопрос был разработан специальный метод статистического анализа ионосферных откликов на геомагнитные бури на основе данных иркутского (52° N, 104° E) и калининградского (54° N, 20° E) ионозондов.
Таким образом, в статье решаются следующие задачи: а) проведение детального анализа механизмов формирования эффектов последействия; б) разработка метода статистического анализа ионосферных откликов на геомагнитные бури; в) исследование эффектов последействия на основе полученной статистики ионосферных откликов на геомагнитные бури.
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
2. Данилов А.Д. Реакция области F на геомагнитные возмущения (обзор) // Гелиогеофизические исследования. 2013. № 5. С. 1-33.
3. Клименко В.В., Клименко М.В., Брюханов В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли - постановка задачи и тестовые расчеты // Математическое моделирование. 2006. Т. 18, № 3. С. 77-92.
4. Клименко М.В., Клименко В.В., Ратовский К.Г., Гончаренко Л.П. Ионосферные эффекты последовательности геомагнитных бурь 9-14 сентября 2005 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 3. С. 368-380.
5. Клименко М.В., Клименко В.В., Бессараб Ф.С. и др. Влияние геомагнитных бурь 26-30 сентября 2011 г. на ионосферу и распространение радиоволн КВ-диапазона. I. Ионосферные эффекты // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. T. 55, № 6. С. 769-789. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794015050077.
6. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 129 с.
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. Тащилин А.В. Формирование крупномасштабной структуры ионосферы в спокойных и возмущенных условиях: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 25.00.29. Иркутск, 2014. 236 с.
9. Balan N., Otsuka Y., Nishioka M., et al. Physical mechanisms of the ionospheric storms at equatorial and higher latitudes during the recovery phase of geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 2660-2669. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50275.
10. Buonsanto M.J. Ionospheric storms: a review // Space Sci. Rev. 1999. V. 88, N 3-4. P. 563-601. DOI:https://doi.org/10.1023/A:10 05107532631.
11. Field P.R., Rishbeth H. The response of the ionospheric F2-layer to geomagnetic activity: an analisys of wordwide data // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1997. V. 59, N 2. P. 163-180. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(96)00085-5.
12. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E., et al. Similarity and differences in morphology and mechanisms of the foF2 and TEC disturbances during the geomagnetic storms on 26-30 September 2011 // Ann. Geophys. 2017. V. 35. P. 923-938. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-35-923-2017.
13. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Despirak I.V., et al. Disturbances of the thermosphere-ionosphere-plasmasphere system and auroral electrojet at 30° E longitude during the St. Patrick’s Day geomagnetic storm on 17-23 March 2015 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.12.017. (In print).
14. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Forster M., et al. Calculated and observed ionospheric parameters for Magion-2 passage above EISCAT on July 31 1990 // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, N A7. P. 14,697-14,710. DOI:https://doi.org/10.1029/98JA00210.
15. Mayr H.G., Harris I., Spencer N.W. Some properties of upper atmosphere dynamics // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16. P. 539-565. DOI:https://doi.org/10.1029/RG016i004p00539.
16. 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.
17. Mikhailov A.V. Ionospheric F2-layer storms // Fisica de la Tierra. 2000. V. 12. P. 223-262.
18. Pedatella N.M. Impact of the lower atmosphere on the ionosphere response to a geomagnetic superstorm // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43, iss. 18. P. 9383-9389. DOI: 10.1002/ 2016GL070592.
19. Prölss G.W. On explaining the local time variation of ionospheric storm effects // Ann. Geophys. 1993. V. 11, N 1. P. 1-9.
20. Prölss G.W. Ionospheric F-region storms // Handbook of Atmospheric Electrodynamics II / Eds. H. Volland. Boca Raton: CRC Press, 1995. P. 195-248.
21. Prölss G.W. Ionospheric storms at mid-latitudes: a short review // Midlatitude Ionospheric Dynamics and Disturbances / Eds. Kintner P.M. et al. Washington, 2008. P. 9-24. (Geophys. Monograph Ser. V. 181). DOI:https://doi.org/10.1029/181GM03.
22. Suvorova A.V., Dmitriev A.V., Tsai L.-C., et al. TEC evidence for near-equatorial energy deposition by 30 keV electrons in the topside ionosphere // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 4672-4695. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50439.
23. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 8 сентября 2018 г.).
24. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html (дата обращения 8 сентября мая 2018 г.).
