Иркутский государственный университет
Иркутск, Россия
Камчатский государственный технический университет
Паратунка, Россия
Одна из актуальных проблем физики ионосферы — взаимосвязь различных регионов ионосферы. В работе изучены межрегиональные связи изменений ионосферной динамики путем применения технологии графов. В качестве информации об ионосфере использованы данные глобальных ионо-сферных карт (GIM) полного электронного содержания (ПЭС) лаборатории CODE за 2005–2010 гг. Распределение значений максимумов функций корреляции изменения ПЭС в ионосфере имеет сложный характер и позволяет выделить два уровня взаимосвязи между регионами: сильная связь (r0.9) и слабая связь (r>0.72). В Северном полушарии ионосфера характеризуется сильной связью между узлами Арктического региона выше 50° геомагнитной широты. В Южном полушарии подобная область сильной связи гораздо больше. Слабая связь характерна для всего Южного полушария. На юге Северной Америки имеется область, в которой динамика ПЭС коррелирует в различных узлах, при этом практически не коррелируя с динамикой остальной ионосферы.
ионосфера, графы, полное электронное содержание, глобальные ионосферные карты
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы значительно усилился интерес к ионосферным исследованиям. Во многом это обусловлено развитием средств зондирования ионосферы, которые позволяют получать инструментальные измерения с пространственным (в том числе и по высоте) и временным разрешением и точностью, значительно превосходящими доступные ранее.
Одним из таких средств стали глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) [Jakowski et al., 2012; Afraimovich et al., 2013] и система геостационарных спутников SBAS (Satellite Based Augmentation System), используемая для поддержки GPS [Kunitsyn et al., 2015]. С использованием ГНСС в настоящее время осуществляется построение карт вариаций полного электронного содержания (ПЭС) с высоким пространственным разрешением (в регионах, где имеются достаточно плотные сети GPS/ГЛОНАСС, - Япония, Калифорния) [Saito et al., 1998], проводятся интерферометрия ионосферных неоднородностей [Afraimovich et al., 1998] и 4D-реконструкция ионосферы [Kunitsyn et al., 2011], строятся глобальные карты распределения ПЭС [Mannucci et al., 1998; Schaer et al., 1998; Hernández-Pajares et al., 1999].
Глобальные ионосферные карты полного электронного содержания GIM (карты GIM) представляют собой набор элементарных ячеек, которые охватывают практически весь земной шар. Размер ячейки составляет 5° по долготе и 2.5° по широте. Общее количество ячеек - 5183. Каждая ячейка содержит данные о вертикальном ПЭС. Таким образом, можно получить данные о вертикальном ПЭС с двухчасовым (с 2014 г. для отдельных лабораторий с часовым) временным разрешением по всему земному шару. В последние годы строятся региональные ионосферные карты с более высоким пространственным и временным разрешением [Ping et al., 2002; Bergeot et al., 2014].
С использованием карт GIM было решено большое число задач: проведены оценка полного числа электронов в ионосфере Земли [Astafyeva et al., 2008] и анализ особенностей Экваториальной аномалии [Huang et al., 2014], выявлены годовая асимметрия ионизации Северного и Южного полушарий [Gulyaeva et al., 2014] и эффекты стратосферных потеплений [Polyakova et al., 2014] и т. д. Глобальность представленных данных, вообще говоря, должна позволить решить задачу взаимодействия ионосферы различных регионов. Для этой цели мы планируем впервые использовать теорию графов.
К настоящему моменту теория графов очень хорошо разработана и имеет в своей основе строгий математический аппарат (см., например, обзор [Newman, 2003]). Теория графов (или, как их часто называют, сетей - networks) в последнее время широко используется для исследования больших сложных систем. Под сетью понимается набор взаимодействующих узлов, связанных между собой тем или иным образом. Признаком связи может выступать любой выбранный параметр - жесткое соединение в компьютерной сети, родственные связи в человеческом сообществе или уровень корреляции между рядами наблюдений. Определяя в предметной области «узлы» и находя между ними «связи», можно сформировать сеть.
Исследуя топологию полученной сети, можно обнаружить глобальную симметрию или асимметрию, выявить кратчайшие пути и скорость передачи информации (в широком смысле), изучить реакцию на сильное воздействие или перестройку системы в связи с каким-либо фактором, т. е. в конечном счете получить новую информацию о коллективной динамике системы в целом - в данном случае об ионосфере.
Исследования нейтральной атмосферы ведутся с применением теории графов с 2000-х гг. [Tsonis, Roebber, 2004; Tsonis, Swanson, 2008; Guez et al., 2012]. Анализ осуществлялся, как правило, с использованием данных архивов реанализа (в частности NCEP reanalysis data, NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado [http://www.cdc.noaa.gov]). В настоящей работе мы планируем приложить теорию графов к исследованию ионосферы.
1. Afraimovich E.L., Palamartchouk K.S., Perevalova N.P. GPS radio interferometry of travelling ionospheric disturbances // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60, N 12. P. 1205-1223.
2. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Yasukevich Yu.V., et al. Response of global and regional ionosphere electron content to solar activity changes // Geomagetism and Aeronomy. 2008. V. 48, N 2. P. 187-200.
3. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., et al. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather and Space Climate. 2013. V. 3. A27.
4. Appleton E.V. The anomalous equatorial belt in the F2-layer // J. Atmos. Terr. Phys. 1954. V. 5. P. 348-351.
5. Astafyeva E. I., Afraimovich E. L., Oinats A.V., et al. Dynamics of global electron content in 1998-2005 derived from global GPS data and IRI modeling // Adv. Space Res. 2008. V. 42. P. 763-769. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.11.007.
6. Bergeot N., Chevalier J.-M., Bruyninx C., et al. Near real-time ionospheric monitoring over Europe at the Royal Observatory of Belgium using GNSS data // J. Space Weather and Space Climate. 2014. V. 4. A31.
7. Bufton J.L. Evidence for atmospheric carbon dioxide variability over the Gulf Stream // Geophys. Res. Lett. 1984. V. 11, N 11. P. 1141-1143.
8. Guez O., Gozolchiani A., Berezin Y., et al. Climate network structure evolves with North Atlantic Oscillation phases // Europhys. Lett. 2012. V. 98. Р. 38006. DOI:https://doi.org/10.1209/0295-5075/98/38006.
9. Gulyaeva T.L., Arikan F., Hernandez-Pajares M., Veselovsky I.S. North-south components of the annual asymmetry in the ionosphere // Radio Sci. 2014. V. 49. P. 485-496. DOIhttps://doi.org/10.1002/2014RS005401.
10. Hernández-Pajares M., Juan J.M., Sanz J. New approaches in global ionospheric determination using ground GPS data // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 1237-1247.
11. Huang L., Wang J., Jianga Y., et al. A preliminary study of the single crest phenomenon in total electron content (TEC) in the equatorial anomaly region around 120° E longitude between 1999 and 2012 // Adv. Space Res. 2014. V. 54, N 11. P. 2200-2207. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.asr.2014.08.021.
12. Jakowski N., Béniguel Y., DeFranceschi G., et al. Monitoring, tracking and forecasting ionospheric perturbations using GNSS techniques // J. Space Weather and Space Climate. 2012. V. 2. A22.
13. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Karpachev A.T., et al. Spatial features of Weddell Sea and Yakutsk Anomalies in foF2 diurnal variations during high solar activity periods: Interkosmos-19 satellite and ground-based ionosonde observations, IRI reproduction and GSM TIP model simulation // Adv. Space Res. 2015. V. 55. P. 2020-2032.
14. Kunitsyn V.E., Nesterov I.A., Padokhin A.M., Tumanova Yu.S. Ionospheric radio tomography based on the GPS/GLONASS navigation systems // J. Communications Technology and Electronics. 2011. V. 56, N 11. P. 1269-1281.
15. Kunitsyn V., Kurbatov G., Yasyukevich Yu., Pa-dokhin A. Investigation of SBAS L1/L5 signals and their application to the ionospheric TEC studies // Geoscience and Remote Sensing Letters. 2015. V. 12, N 3. P. 547-551. DOI:https://doi.org/10.1109/LGRS.2014. 2350037.
16. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N., et al. A global mapping technique for GPS derived ionosphere TEC measurements // Radio Sci. 1998. V. 33, N 3. P. 565-582.
17. Newman M.E.J. The structure and function of complex networks // SIAM Rev. 2003. V. 45, N 2. P. 167-256. DOI:https://doi.org/10.1137/S003614450342480.
18. Ping J., Kono Y., Matsumoto K., et al. Regional ionosphere map over Japanese Islands // Earth Planets Space. 2002. V. 54. P. e13-e16.
19. 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.
20. Saito A., Fukao S., Miyazaki S. High resolution mapping of TEC perturbations with the GSI GPS network over Japan // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 3079-3082. DOI:https://doi.org/10.1029/98GL52361.
21. Schaer S., Beutler G., Rothacher M. Mapping and predicting the ionosphere // Proc. IGS AC Workshop. Darmstadt, Germany. February 9-11. 1998. P. 307-320.
22. Tsonis A.A., Roebber P.J. The architecture of the climate network // Physica A. 2004. V. 333. P. 497-504.
23. Tsonis A.A., Swanson K.L. Topology and рredictability of El Nino and La Nina Networks // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. 228502.
24. Wang W., Lei J., Burns A.G., et al. Ionospheric response to the initial phase of geomagnetic storms: Common features // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A07321. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014461.
