Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 22991 10.12737/szf-52201914 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Impact of typhoon Vongfong 2014 on the ionosphere and geomagnetic field according to Swarm satellite data: 1. Wave disturbances of ionospheric plasma Влияние тайфуна Vongfong 2014 на ионосферу и геомагнитное поле по данным спутников Swarm: 1. Волновые возмущения ионосферной плазмы Захаров Виктор Иванович Zakharov Victor Ivanovich zvi_555@list.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-3056-7465 Пилипенко Вячеслав Анатольевич Pilipenko Vyacheslav Anatolievich space.soliton@gmail.com

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Грушин Валерий Аркадьевич Grushin Valeriy Arkadyevich vgrushin@iki.rssi.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Хамидуллин Аскар Фаритович Khamidullin Askar Faritovich askarhamidullin@gmail.com Московский государственный университет им. Ломоносова Москва Россия Lomonosov Moscow State University Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН Москва Россия A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Институт космических исследований Москва Россия Space Research Institute Moscow Russian Federation Институт космических исследований РАН Москва Россия Space Research Institute RAS Moscow Russian Federation Московский государственный университет им. Ломоносова Москва Россия Lomonosov Moscow State University Moscow Russian Federation 5 2 114 123 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/22991/view

В статье рассмотрено влияние крупных атмосферных процессов на ионосферу на примере тропического тайфуна Vongfong 2014 г. с использованием данных трехспутниковой миссии Swarm (высота 450–500 км). Обсуждаются два возможных механизма передачи возмущения на ионосферные высоты — генерация акустико-гравитационных волн (АГВ) и возбуждение электрических полей в атмосфере. Предложены новые методики выделения ионосферного отклика на АГВ по данным низкоорбитальных спутников. Первая основана на определении относительных вариаций электронной плотности в диапазоне периодов от 15 до 150–180 с, соответствующих определенным масштабам АГВ. Вторая базируется на оценке пространственно-временных производных электронной концентрации, измеренной на двух спутниках Swarm, находящихся на близких орбитах. Оценены характерные величины эффектов ионосферного отклика, и определены их пространственно-временные характеристики для рассмотренного крупного тропического циклона.

The article considers the influence of large atmospheric processes on the ionosphere by the example of tropical typhoon Vongfong 2014. We use data obtained from three SWARM satellite missions (450–500 km altitude). We discuss two possible mechanisms of transfer of atmospheric disturbances to ionospheric heights. The first mechanism is the generation of acoustic-gravity waves (AGWs); the second mechanism considers the excitation of electric fields in the atmosphere. We propose new techniques for detecting the ionospheric response to AGW, which rely on low-orbit satellite data. The first technique is based on determination of relative electron density variations in the frequency band from 15 to 150–180 s, corresponding to certain scales of AGW. The second technique estimates space-time derivatives of the electron density, measured by two nearby SWARM satellites. We present and estimate the characteristic magnitudes of ionospheric response effects, their localization and spatial-temporal characteristics for the large tropical cyclone under study.

 тропический циклон ионосфера электронная концентрация акустико-гравитационная волна Swarm экваториальная аномалия tropical cyclone ionosphere electron density acoustic-gravity wave Swarm equatorial anomaly

Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ PBX ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с. Afraimovich E.L., Voyeikov S.V., Ishin A.B., Perevalova N.P., Ruzhin Yu.Ya. Total electron content variations during the powerful typhoon of August 5-11, 2006, near the southeastern coast of China. Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48, no. 5, pp. 674-679. Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Ишин А.Б. и др. Вариации полного электронного содержания во время мощного тайфуна 5-11 августа 2006 г. у юго-восточного побережья Китая // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 5. С. 703-708. Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS-monitoring verkhnei atmosfery Zemli [GPS monitoring of the Earth’s upper atmosphere]. Irkutsk, 2006, 480 p. (In Russian). Бондур В.Г., Пулинец С.А., Узунов Д. Воздействие крупномасштабных атмосферных вихревых процессов на ионосферу на примере урагана Катрина // Иссл. Земли из космоса. 2008. № 6. С. 3-11. Balan N., Souza J., Bailey G.J. Recent developments in the understanding of equatorial ionization anomaly: A review. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 171, pp. 3-11. Ванина-Дарт Л.Б., Покровская И.В., Шарков Е.А., Исследования взаимодействия нижней экваториальной ионосферы с тропическими циклонами по данным дистанционного и ракетного зондирования // Иссл. Земли из космоса. 2007. № 1. С. 1-9. Bertin E., Testud U., Kersley L. Medium scale gravity waves in the ionospheric F region and their possible origin in weather disturbances. Planet. Space Sci. 1975, vol. 23, pp. 493-507. Гохберг М.Б., Пилипенко В.А., Похотелов О.А., Федоров Е.Н. Всплески электромагнитных КНЧ-шумов в верхней ионосфере, стимулированные наземными взрывами // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36, № 4. С. 61-67. Bondur V.G., Pulinets S.A., Uzunov D. The effect of large-scale atmospheric vortex processes on the ionosphere using hurricane Katrina as an example. Issledovaniya Zemli iz kosmosa [Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics]. 2008, no. 6, pp. 3-11. (In Russian). Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 267 с. Chou M.Y., Lin C.H., Yue J., Chang L.C., Tsai H.F., Chen C.H. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016). Geophys. Res. Lett. 2017, vol. 44, pp. 7569-7577. DOI: 10.1002/2017GL073961. Дробязко И.Н., Красильников В.Н. Генерация акустико-гравитационных волн атмосферной турбулентностью // Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т. 28, № 11. С. 1357-1365. Danilov A.D., Kazimirovsky E.S., Vergasova G.V., Khachikyan G.Ya. Meteorologicheskie effekty v ionosfere [Meteorological Effects in the Ionosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1987, 267 p. (In Russian). Захаров В.И., Зиенко А.С., Куницын В.Е. Распространение радиосигналов GPS при различной солнечной активности // Электромагнитные волны и электронные системы. 2008. Т. 13, № 8. C. 51-57. Drobyazko I.N., Krasil’nikov V.N. Generation of acoustic-gravity waves by atmospheric turbulence. Radiophysics and Quantum Electronics. 1985, vol. 28, no. 11, pp. 946-952. Исаев Н.В., Сорокин В.М., Чмырев В.М., Серебрякова О.Н. Электрические поля в ионосфере, связанные с морскими штормами и тайфунами // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 5. С. 670-675. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000, vol. 62, pp. 685-693. DOI: 10.1016/S1364-6826(00)00029-8. Исаев Н.В., Костин В.М., Беляев Г.Г., Овчаренко О.Я., Трушкина Е.П. Возмущения верхней ионосферы, вызванные тайфунами // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 2. С. 253-264. Gokhberg M.B., Pilipenko V.A., Pokhotelov O.A., Fedorov E.N. Electromagnetic ELF-noise bursts in the upper atmosphere induced by ground explosions. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1996, vol. 36, no. 4, pp. 61-67. (In Russian). Кшевецкий С.П., Гаврилов Н.М. Вертикальное распространение нелинейных гравитационных волн и их разрушение в атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43, № 1. С. 74-82. Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the Atmosphere: Atmospheric Infrasound and Gravity Waves, Their Generation and Propagation. Elsevier Scientific Publ. Co., 1975, 456 p. Мелиоранский А.С. Высыпание электронов из радиационных поясов и кольцевого тока под влиянием излучений тайфунов в северо-западной части Тихого океана. Тайфун «Майк» и сильный тропический шторм «Нелл» / Препринт Института космических исследований Пр-2136. М., 2007. 18 с. Ho C.M., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Pi X., Tsurutani B.T. Global ionosphere perturbations monitored by the worldwide GPS network. Geophys. Res. Lett. 1996, vol. 23, iss. 22, pp. 3219-3222. DOI: 10.1029/96GL02763. Balan N., Souza J., Bailey G.J. Recent developments in the understanding of equatorial ionization anomaly: A review // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2018. V. 171. P. 3-11. Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and traveling ionospheric disturbances: 1982-1995. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, iss. 9, pp. 917-940. DOI: 10.1007/ s00585-996-0917-6. Bertin E., Testud У., 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. Hofman-Wellenhoft B., Lichtenegger H., Collins J. GPS Theory and Practice. New York, Springer-Verlag Vienna, 1992, 347 p. Chou M.Y., Lin C.H., Yue J., et al. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016) // Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. P. 7569-7577. DOI: 10.1002/2017GL073961. 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, vol. 20, no. 4, pp. 897-906. DOI: 10.1029/RS020i004p00897. Forbes J.М., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. P. 685-693. DOI: 10.1016/S1364-6826(00)00029-8. Isaev N.V., Sorokin V.M., Chmyrev V.M., Serebryakova O.N. Ionospheric electric fields related to sea storms and typhoons. Geomagnetism and Aeronomy. 2002, vol. 42, no. 5, pp. 638-643. Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the Atmosphere: Atmospheric Infrasound and Gravity Waves, Their Generation and Propagation. Elsevier Scientific Pub. Co., 1975. 456 p. Isaev N.V., Kostin V.M., Belyaev G.G., Ovcharenko O.Ya., Trushkina E.P. Disturbances of the topside ionosphere caused by typhoons. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, iss. 2, pp. 243-255. DOI: 10.1134/S001679321002012X. Ho C.M., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., et al. Global ionosphere perturbations monitored by the worldwide GPS network // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23, iss. 22. P. 3219-3222. DOI: 10.1029/96GL02763. Kshevetsky S.P., Gavrilov N.M. Vertical propagation and breaking of nonlinear gravity waves in the atmosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2003, vol. 43, no. 1, p. 69. Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and traveling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Ann. Geophysicae. 1996. V. 14, iss. 9. P. 917-940. DOI: 10.1007/ s00585-996-0917-6. Li W., Yue J., Wu S., Yang Y., Li Z., Bi J., Zhang K. Ionospheric responses to typhoons in Australia during 2005-2014 using GNSS and FORMOSAT-3/COSMIC measurements. GPS Solutions. 2018, vol. 22, no. 3, pp. 1-22. DOI: 10.1007/s10291-018-0722-1. Hofman-Wellenhoft B., Lichtenegger H., Collins J. GPS Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Vienna, 1992. 347 p. Melioransky A.S. Vysypanie elektronov iz radiatsionnykh poyasov i koltsevogo toka pod vliyaniem izluchenii taifunov v severo-zapadnoi chasti Tikhogo okeana. Taifun “Maik” i moshchnyi tropicheskii shtorm “Nell” [Electron precipitation from radiation belts and ring current under the effect of typhoon emissions in the north-western part of the Pacific Ocean. Typhoon Mike and powerful tropical storm Nell]. Preprint of Space Research Institute. No.2136. Moscow, 2007, 18 p. 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, N 4. P. 897-906. DOI: 10.1029/RS020i004p00897. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R., Alken P., Beggan C.D., Chulliat A., et al. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF) and Swarm data products. Earth, Planets and Space. 2013, vol. 65, pp. 1189-1200. DOI: 10.5047/eps.2013.07.001. Li W., Yue J., Wu S., et al. Ionospheric responses to typhoons in Australia during 2005-2014 using GNSS and FORMOSAT-3/COSMIC measurements // GPS Solutions. 2018. V. 22, N 3. P. 1-22. DOI: 10.1007/s10291-018-0722-1. Pilipenko V., Belakhovsky V., Kozlovsky A., Fedorov E., Kauristie K. Determination of the wave mode contribution into the ULF pulsations from combined radar and magnetometer data: Method of apparent impedance. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2012, vol. 77, pp. 85-95. DOI: 10.1016/j.jastp.2011.11.013. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R., et al. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF) and Swarm data products // Earth, Planets and Space. 2013. V. 65. P. 1189-1200. DOI: 10.5047/eps.2013.07.001. Pokhotelov O.A., Pilipenko V.A., Fedorov E.N., Stenflo L., Shukla P.K. Induced electromagnetic turbulence in the ionosphere and the magnetosphere. Physica Scripta. 1994, vol. 50, pp. 600-605. Pilipenko V., Belakhovsky V., Kozlovsky A., et al. Determination of the wave mode contribution into the ULF pulsations from combined radar and magnetometer data: Method of apparent impedance // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2012. V. 77. P. 85-95. DOI: 10.1016/j.jastp.2011.11.013. 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, vol. 52, pp. 1416-1426. DOI: 10.1016/j.asr.2013.07.029. Pokhotelov O.A., Pilipenko V.A., Fedorov E.N., et al. Induced electromagnetic turbulence in the ionosphere and the magnetosphere // Physica Scripta. 1994. V. 50. P. 600-605. Rishbeth H. F-region links with the low atmosphere? J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006, vol. 68, no. 3, pp. 469-478. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.03.017. 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: 10.1016/j.asr.2013.07.029. Rozhnoi A., Solovieva M., Levin B., Hayakawa M., Fedun vol. Meteorological effects in the lower ionosphere as based on VLF/LF signal observations. Natural Hazards Earth System Sci. 2014, vol. 14, pp. 2671-2679. Rishbeth H. F-region links with the low atmosphere? // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68, N 3. P. 469-478. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.03.017. Sorokin V.M., Isaev N.V., Yaschenko A.K., Chmyrev V.M., Hayakawa M. Strong DC electric field formation in the low latitude ionosphere over typhoons. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2005, vol. 67, pp. 1269-1279. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.06.014. Rozhnoi A., Solovieva M., Levin B., et al. Meteorological effects in the lower ionosphere as based on VLF/LF signal observations // Natural Hazards Earth System Sci. 2014. V. 14. P. 2671-2679. Vanina-Dart L.B., Pokrovskaya I.V., Sharkov E.A. Studying the interaction between the lower equatorial ionosphere and tropical cyclones according to data of remote and rocket sounding. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2007, no. 2, pp. 19-27. Sorokin V.M., Isaev N.V., Yaschenko A.K., et al. Strong DC electric field formation in the low latitude ionosphere over typhoons // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2005. V. 67. P. 1269-1279. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.06.014. Walker G.O. Longitudinal structure of the F-region equatorial anomaly - a review. J. Atmos. Terr. Phys. 1981, vol. 43, iss. 8, pp. 763-774. DOI: 10.1016/0021-9169(81)90052-0. Walker G.O. Longitudinal structure of the F-region equatorial anomaly - a review // J. Atmos. Terr. Phys. 1981. V. 43, iss. 8. P. 763-774. DOI: 10.1016/0021-9169(81)90052-0. Xiao Z., Xiao S.G., Hao Y.Q., Zhang D.H. Morphological features of ionospheric response to typhoon. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, iss. A4, A04304. DOI: 10.1029/2006JA011671. Xiao Z., Xiao S.G., Hao Y.Q., Zhang D.H. Morphological features of ionospheric response to typhoon // J. Geophys. Res. 2007. V. 112, iss. A4, A04304. DOI: 10.1029/2006JA011671. 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, vol. 52, no. 4, pp. 533-545. DOI: 10.1134/S0016793212040160. 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: 10.1134/S0016793212040160. Zakharov V.I., Zienko A.S., Kunitsyn V.E. GPS signal propagation under varied solar activity. Elekromagnitnye volny i elektronnye sistemy [J. Electromagnetic Waves and Electronic Systems]. 2008, vol. 13, no. 8, pp. 51-57. (In Russian). URL: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellitemissions/s/swarm (дата обращения 1 марта 2019 г.). URL: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellitemissions/s/swarm (accessed March 1, 2019). URL: http://weather.unisys.com/hurricane (дата обращения 1 марта 2019 г.). URL: http://weather.unisys.com/hurricane (accessed March 1, 2019). URL: http://www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.php (дата обращения 1 марта 2019 г.). URL: http://www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.php (accessed March 1, 2019). URL: http://directory. eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/swarm (дата обращения 1 марта 2019 г.). URL: http://directory. eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/swarm (accessed March 1, 2019). URL: https://earth.esa.int/web/guest/ swarm/data-access (дата обращения 1 марта 2019 г.). URL: https://earth.esa.int/web/guest/ swarm/data-access (accessed March 1, 2019).