Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Выполнено исследование отклика ионосферы на внезапные стратосферные потепления (ВСП) в Азиатском регионе России. Рассмотрено два события ВСП, наблюдавшихся зимой 2008–2009 и 2012–2013 гг. в условиях глубокого солнечного минимума и умеренного солнечного максимума соответственно. Для выявления эффектов в ионосфере, связанных с ВСП, проведен совместный анализ данных глобальных карт полного электронного содержания (ПЭС), данных измерений вертикальных профилей температуры, полученных с помощью зонда MLS (Microwave Limb Sounder, EOSAura), а также данных метеоархивов NCEP/NCAR и UKMO Reanalysis. Впервые показано, что в течение сильных ВСП в ионосфере средних широт регистрируется уменьшение суточной амплитуды ПЭС до двух раз относительно спокойных дней. Наблюдается также рост интенсивности отклонений ПЭС от фонового уровня. Установлено, что в максимальной фазе потеплений наблюдается уменьшение значений полуденного максимума и рост ночных/утренних величин ПЭС относительно спокойных дней. Показано, что в различных геофизических условиях динамика ПЭС в периоды ВСП аналогична.
ионосферные возмущения, GPS-измерения ПЭС, внезапное стратосферное потепление
ВВЕДЕНИЕ
Внезапными стратосферными потеплениями (ВСП) называют сильные непредсказуемые повышения температуры в полярной и субполярной стратосфере зимой, иногда на 50° и более, продолжающиеся в течение нескольких суток или недель. По классификации стратосферные потепления подразделяют на незначительные, или слабые, типа «minor» (наблюдаются каждую зиму) и значительные, или сильные, типа «major» [Labitzke, 1981]. Сильные потепления наблюдаются реже, как правило, захватывают стратосферу и мезосферу и носят глобальный характер. При этом меняется знак меридионального градиента температуры над полушарием, а также происходит смена направления зональной стратосферной циркуляции на высоте 10 гПа с западного на восточное — происходит разрушение и/или смещение зимнего циркумполярного вихря, и формируется стратосферный полярный антициклон [Charlton, Polvani, 2007]. Возвращение стратосферы к нормальному режиму (так называемая стадия восстановления) происходит медленнее, чем развитие потепления. Общепринятым в развитии ВСП является механизм, впервые предложенный в работе [Matsuno, 1971], согласно которому развитие ВСП происходит вследствие интенсификации и проникновения из тропосферы в стратосферу планетарных волн (ПВ) и их нелинейного взаимодействия с западным стратосферным потоком. Результатом такого взаимодействия является диссипация волн, а также замедление и разрушение полярного вихря, после чего в стратосфере высвобождается большое количество кинетической энергии. Развитие стратосферного антициклона приводит к формированию нисходящего вертикального переноса в стратосфере, а опускание воздушных масс — к адиабатическому нагреву воздуха. Наблюдения показывают, что ВСП начинаются на больших высотах, а затем спускаются в нижнюю стратосферу и тропосферу [Schoeberl, 1978]. В мезосфере, напротив, наблюдается остывание воздуха над зоной потепления в стратосфере [Labitzke, 1972].
Влияние ВСП на состояние ионосферной плазмы исследуется довольно давно. Так, считается, что явление «зимней аномалии» поглощения радиоволн в D-области ионосферы тесно связано с процессами переноса в периоды ВСП. В указанные периоды в D-слое резко возрастает электронная концентрация и, следовательно, поглощение [Kazimirovsky, 2002].
Отрицательные отклонения fоF2 порядка 0.7–0.8 МГц, а также высоты главного максимума ионизации в ионосфере экваториальных и средних широт в период ВСП 2007/2008 и 2008/2009 гг. зарегистрированы в работе [Pancheva, Mukhtarov, 2011]. Анализ профилей электронной плотности, полученных по измерениям спутника COSMIC во время ВСП 2009 г., выявил увеличение максимальной частоты fmF2 и высоты максимума hmF2 F-слоя ионосферы, а также полного электронного содержания (ПЭС) в утренние часы и уменьшение указанных параметров в вечерние часы относительно значений, регистрируемых в спокойные дни [Yueetal., 2010]. На высоких широтах, напротив, наблюдалось уменьшение hmF2 и увеличение fmF2 и ПЭС в течение всех суток. Указанные явления авторы связывают с изменением вертикального дрейфа плазмы, индуцированным возмущенной системой ветров нижней термосферы. Моделирование, выполненное в работе [Bessarabetal., 2012], показало, что отклонения электронной плотности в F2-области ионосферы во время ВСП могут быть вызваны также возмущениями в форме стационарных ПВ на нижней границе термосферы.
Большое количество эффектов ВСП в экваториальной ионосфере выявлено в работе [Sumodetal., 2012]. Среди основных особенностей в поведении ионосферы в период ВСП зимой 2007/2008 гг. авторами отмечены уменьшение значений fоF2 в утренние и вечерние часы и увеличение в послеполуденные, смещение суточного максимума ПЭС в сторону более ранних часов местного времени, необычное уменьшение интенсивности дневного свечения атмосферы в длине волны 630 нм. В работах [Goncharenkoetal., 2010a, b] зарегистрированы крупномасштабные колебания ПЭС с полусуточным периодом, наблюдавшиеся в экваториальной ионосфере в течение нескольких дней после потепления. Авторы работы [Pedatella, Forbes, 2010] на основе анализа данных GPS выявили значительное усиление интенсивности полусуточных приливов в экваториальных широтах ионосферы во время ВСП. Эффекты ВСП в низкоширотной ионосфере связаны с изменениями электрических полей в экваториальной электроструе [Chau et al., 2009, 2010, 2012; Fejer et al., 2010]. Они также являются проявлением взаимодействия распространяющихся из низлежащих атмосферных слоев ПВ с термосферными приливами [Pedatella, Forbes, 2010].
Результаты исследования динамики ионосферы во время мощного ВСП 2009 г. на сети сибирских ионозондов представлены в работе [Шпынев и др., 2013]. Авторами показано, что интенсивность и знак ионосферного отклика на ВСП зависит от местоположения пункта наблюдения относительно зон с различными типами стратосферной циркуляции. Максимальные вариации параметров F2-слоя наблюдаются вблизи тех границ между циклоном и антициклоном, где циркуляция направлена к северу. Так, наибольшее повышение высоты максимума слоя было зафиксировано над Якутском и составило около 50 км, в то время как в пунктах, находящихся внутри циклонической циркуляции (Новосибирск, Иркутск), напротив, регистрировалось опускание высоты F2.
В данной работе нами проведено исследование возможного отклика ПЭС на события ВСП в среднеширотной ионосфере в областях, располагающихся непосредственно над очагами потеплений в стратосфере (под очагом ВСП здесь и далее понимается область наибольшего повышения температуры).
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Впервые статья опубликована на английском языке в «Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics». 2014. V. 120. Р. 15–23. DOI: 10.1016/j.jastp.2014.08.011. На русском языке публикуется впервые в сокращенном варианте по лицензии издательства.
1. Шпынев Б.Г., Панчева Д., Мухтаров П. и др. Отклик ионосферы над регионом Восточной Сибири во время внезапного стратосферного потепления 2009 г. по данным наземного и спутникового радиозондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 1. С. 153-163.
2. Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Klimenko M.V., еtal. Modeling the effect of sudden stratospheric warming within the thermosphere-ionosphere system // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012. V. 90-91. P. 77-85. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2012.09.005
3. Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part I: Climatology and modeling benchmarks // J. Climate. 2007. V. 20. P. 449-469. DOI:https://doi.org/10.1175/JCLI3996.1
4. Chau J.L., Fejer B.G., Goncharenko L.P. Quiet variability of equatorial E×B drifts during a sudden stratospheric warming event // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. L05101. DOI: 10.1029/ 2008GL036785
5. Chau J.L., Aponte N.A., Cabassa E., et al. Quiet time ionospheric variability over Arecibo during sudden stratospheric warming events // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. V. 115, iss. A9. A00G06. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015378.
6. Chau J.L., Goncharenko L.P., Fejer B.G., Liu H.-L. Equatorial and low latitude ionospheric effects during sudden stratospheric warming events // Space Sci. Rev. 2012. V. 168. P. 385-417. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9797-5.
7. Fejer B.G., Olson M.E., Chau J.L., et al. Lunar-dependent equatorial ionospheric electrodynamic effects during sudden stratospheric warmings // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G03. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015273.
8. Goncharenko L.P., Chau J.L., Liu H.L., Coster A.J. Unexpected connections between the stratosphere and ionosphere // Geophys. Res. Lett. 2010a. V. 37. L10101. DOI: 10.1029/ 2010GL043125.
9. Goncharenko L.P., Coster A.J., Chau J.L., Valladares C.E. Impact of sudden stratospheric warmings on equatorial ionization anomaly // J. Geophys. Res. 2010b. V. 115, iss. A10. A00G07. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015400.
10. Goncharenko L.P., Chau J.L., Condor P., et al. Ionospheric effects of sudden stratospheric warming during moderate-to-high solar activity: Case study of January 2013 // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 1-5. DOI:https://doi.org/10.1002/grl.50980.
11. Harada Y., Goto A., Hasegawa H., Fujikawa N. A major stratospheric sudden warming event in January 2009 // J. Atmos. Sci. 2010. V. 67. P. 2056-2069. DOI:https://doi.org/10.1175/2009JAS3320.1
12. Kazimirovsky E.S. Coupling from below as a source of ionospheric variability: A review // Ann. Geophys. 2002. V. 45(1). P. 1-29. DOI:https://doi.org/10.4401/ag-3482.
13. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Klimenko M.V., et al. The global thermospheric and ionospheric response to the 2008 minor sudden stratospheric warming event // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A10309. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA018018.
14. Labitzke K. Temperature changes in the mesosphere and stratosphere connected with circulation changes in winter // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. P. 756-766. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1972)029<;0756:TCITMA>2.0.CO;2.
15. Labitzke K. Stratospheric-mesospheric midwinter disturbances: A summary of observed characteristics // J. Geophys. Res. 1981. V. 86, N. C10. P. 9665-9678 DOI:https://doi.org/10.1029/JC086i C10p09665.
16. Labitzke K., Kunze M. On the remarkable Arctic winter 2008/2009 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. D00I02. DOI: 10.1029/ 2009JD012273.
17. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N., et al. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements // Radio Sci. 1998. V. 33, N. 3. P. 565-582. DOI:https://doi.org/10.1029/97RS02707.
18. Matsuno T. A dynamical model of the stratospheric sudden warming // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. P. 1479-1494. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1971)028<;1479:ADMOTS>2.0.CO;2.
19. Mukasheva S., Zhumabayev B., Nurgaliyeva K., Toyshiev N. Variations of the total electron content of the ionosphere over Kazakhstan region depending on solar activity // Geophys. Res. Abstr. 2014. V. 16. EGU2014-4318.
20. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere-ionosphere coupling paradigm // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 1697-1702. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp. 2011.03.006.
21. Pedatella N.M., Forbes J.M. Evidence for stratosphere sudden warming-ionosphere coupling due to vertically propagating tides // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L11104. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL043560.
22. Perevalova N.P., Polyakova A.S., Zalizovski A.V. Diurnal variations of the total electron content under quiet helio-geomagnetic conditions // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010. V. 72. P. 997-1007. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.05.014.
23. Schoeberl M.R. Stratospheric warmings: Observations and theory // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16, N 4. P. 251-538. DOI:https://doi.org/10.1029/RG016i004p00521.
24. Sumod S.G., Pant T.K., Jose L., et al. Signatures of sudden stratospheric warming on the equatorial ionosphere-thermosphere system // Planet. Space Sci. 2012. V. 63-64. P. 49-55. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2011.08.005.
25. Yue X., Schreiner W.S., Lei J., et al. Global ionospheric response observed by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G09. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015466.
26. URL: http://www.esrl.noaa.gov/psd (accessed February 1, 2015).
27. URL: http://badc.nerc.ac.uk/browse/badc/ukmo-assim/ (accessed February 1, 2015).
28. URL: http://www.ngdc.noaa.gov/stp/GEOMAG/kp_ ap.html (accessed February 1, 2015).
29. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ (accessed February 1, 2015).
30. URL: ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps/products/ionex/ (accessed February 1, 2015).
