Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Долготные вариации параметров F2-области ионосферы во время магнитных бурь

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Долготные вариации параметров F2-области ионосферы во время магнитных бурь"

КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА ФЕДОРОВА Е. К.

На правах рукописи СКОБЛИН Михаил Григорьевич

УДК: 551.510.535

ДОЛГОТНЫЕ ВАРИАЦИИ ПАРАМЕТРОВ Е2-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ

(04.00.22 — геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Федорова Е. К. Роскомгидромета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Михайлов А. В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, с. н. с. Нусинов А. А. доктор физико-математических наук, профессор

Деминов М. Г.

Ведущая организация: НПО «Тайфун», г. Обнинск.

Защита состоится 24 июня 1992 г. в 11.30 на заседании специализированного совета Д 024.09.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Федорова Е. К. по адресу: 129128, Москва, Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ИПГ.

Автореферат разослан « 22 »_

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

А. Г. Старкова

:. д

ТДОЛ

ертацим

Общая характеристика работы Актуальность работы.

При прогнозировании возмущенной среднеширотной Р2-области ионосферы во время геомагнитных бурь в настоящее время используются как эмпирический, так и детерминированный подходы. Детерминированный подход предполагает, что известны основные физические механизмы распределения возмущений, тогда как эмпирический базируется на предположении о том, что в течение бурь на средних широтах преобладает регулярная составляющая возмущений Г Г2.

о

Наименее изученная часть пространственных вариаций возмущений в ионосфере средних широт - зависимость А10Т2 от долготы, природа которой в настоящее время не выяснена. Анализ данных многолетних наблюдений на станциях ВЗ показывает, что за неоднородное распределение ионосферных возмущений по долготе могут быть ответственны по крайней мере две группы факторов. К первой группе относится, например, долготная неоднородность магнитного поля Земли. Расположение максимумов и минимумов Ма72 в этом случае привязано к определенным долготным регионам и не зависит от времени начала магнитного возмущения. Ко второй группе относится совокупность факторов, приводящая к долготной зависимости "ДГ^г вследствие различного местного времени в разных долготных секторах в момент начала магнитной бури. В распределении Д10Г2 по долготе, вызванном эффектом местного времени, определяющую роль играет момент начала магнитного возмущения.

До настоящего времени не выяснен вклад эффекта местного времени в формирование картины долготных вариаций ДГоГ2 в периоды магнитных бурь. Неясными остаются и физические механизмы, управляющие при этом распределением Д£0Г2 по долготе. Изучение

морфологии и физики долготных вариаций ионосферных возмущений представляет, следовательно, научный и практический интерес для задач физики ионосферы, а также эмпирического и детерминированного прогнозирования состояния ионосферы во время магнитных бурь. Выделение регулярной части долготных вариаций позволит улучшить эмпирические методы прогноза, а знание физических механизмов, ответственных за распределение ЛГоТ2 по долготе, даст возможность разработать детерминированные метода прогнозирования.

Из вышеизложенного ясна актуальность данной работы, в которой дано новое решение известной задачи физики ГЕ-оОласти: выяснение физических механизмов и определение роли эффекта местного времени в формировании наблюдаемого на средних широтах во время магнитных бурь распределения А1оР2 по долготе.

Цель работы:

1. На основе модельных расчетов с привлечением данных одновременных наблюдений 1ВТ2, 11тГ2 на станциях ВЗ и нейтрального состава с борта ИСЗ показать роль возмущений нейтрального состава и термосферного ветра в формировании картины возмущений №012 на средних широтах во время магнитных бурь.

2. Исходя из анализа экспериментальных данных и результатов расчетов предложить физический механизм, объясняющий долготную зависимость возмущений в Г2-области на средних широтах во время магнитных бурь.

3. Объяснить наблюдаемые сезонные различия в распределении возмущений 1о?2 на основе предложенного подхода.

Научная новизна работы состоит в следующем:

I. Впервые обнаружены сезонные различия в распределении Ыо?2

на средних широтах во время магнитных бурь по долготе, состоящие в существовании выраженных долготных вариаций в зимний сезон и более равномерном распределении возмущений по долготе летом.

2. Впервые на количественном уровне показано, что наблюдаемые в зимний период долготные вариации ионосферных возмущений в Г2-области средних широт обусловлены различным местным временем в разных долготных секторах в момент начала бури.

3. Впервые показано на основании численных расчетов с привлечением данных одновременных измерений I £2, ЬтР2 на станциях ВЗ и нейтрального состава с борта ИСЗ, что известный механизм взаимодействия термосферной циркуляции с буревой системой ветров способен объяснить наблюдаемое распределение А10Р2 по долготе, а также сезонные различия в долготных вариациях А10Г2.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что в ней предложен и обоснован физический механизм возникновения долготных вариаций в Т2-области во время магнитных бурь. Полученные результаты позволяют прогнозировать распределение по долготе положительной и отрицательной фаз ионосферной бури, что может быть использовано в практике работы ионосферной службы.

Внедрение результатов. Работа выполнялась в рамках темы 1.8.3. плана НИР и ОКР Роскомгидромета.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Присутствие во время ионосферных бурь на средних широтах крупномасштабных долготных вариаций ионосферно-термосферных Еозмущений, вызванных эффектом местного времени.

2. Сезонная зависимость в пространственном распределении

ь

возмущений íoF2 в период магнитных бурь: ярко выраженные долготные вариации зимой и более равномерное распределение возмущений по долготе летом.

3. Обоснование на основе экспериментальных данных и расчетов механизма, позволяющего объяснить наблюдаемые долготные распределения ионосферных и термосферных возмущений на средних широтах во время магнитных бурь взаимодействием фоновой и буревой системами термосферных ветров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI, VII Всесоюзных семинарах по ионосферному прогнозированию, на X Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы, на Международном совещании по проекту САНДАИЛ в 1990 г., а также на семинарах ИПГ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 96 страниц основного текста, 23 рисунка, 6 . таблиц, список цитируемой литературы из 115 названий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

. Во введении сформулирована цель работы, показана ее актуальность, изложена структура диссертации.

Первая глава содержит обзор современных работ по морфологии и физике возмущений среднеширотной Р2-области ионосферы в периоды магнитных бурь. Показано, что наряду с хорошо известными

?

зависимостями возмущений от широты, сезона, уровня магнитной активности, наблюдаются значительные долготные вариации АГоР2. Отмечено, что природа долготных вариаций, обусловленных эффектом местного времени, в настоящее время не ясна. Из результатов расчетов динамики термосферы и ионосферы следует, что основными причинами, вызывающими возмущения 12-области ионосферы средних широт, являются возмущения термосферного ветра и изменения нейтрального' состава. В современной литературе обсуждается взаимодействие фоновой и буревой компонент термосферной циркуляции в различных секторах местного времени как механизм, приводящий к различным эффектам в ионосфере, однако отсутствие расчетов иди данных по нейтральному составу лишают строгости выводы - этих работ. Отмечено, что несмотря на имеющиеся в настоящее время самосогласованные модели системы термосфера-ионосфера, детального совпадения рассчитанных и наблюдаемых во время магнитных бурь распределений [ /[ 0] и Д10Г2 достичь не удается. В частности, при строгом трехмерном моделировании не исследованы долготные вариации возмущений. В связи с этим при изучении физических механизмов распределения АГоР2 по долготе представляет интерес использовать упрощенную (несамосогласованную, одномерную) модель Г2-области, среда входных параметров которой экспериментально измеряемые нейтральный состав, температура и другие параметры верхней атмосферы.

Во второй главе дано описание инструмента исследования. -одномерной нестационарной модели Р2-области ионосферы, рассчитывающей высотные зависимости концентраций трех основных ионов О", СГ, N0*. В модели численно решаются уравнения непрерывности в диффузионном приближении, а также уравнение теплового баланса для электронов в диапазоне высот 120-610 км.

Нейтральная атмосфера задается эмпирической моделью МБ13-8£. Заданием внешних параметров - модели нейтральной атмосферы, потока коротковолнового излучения Солнца, схемы химических реакций, скорости вертикального дрейфа и граничных условий - все выходные параметры данной модели, в числе которых п™ и 11^2, определяются однозначно'. На этом основан метод подбора значений скорости вертикального дрейфа ионов V». по известным из эксперимента высотам Ь**рР2. Коррекция КЗ 15-86 по данным прямых измерений нейтрального состава ■ с борта ИСЗ позволяет получать надекные скорости вертикального дрейфа <а% не только в магнитоспокойные, но также и в возмущенные периода, когда эмпирические модели неудовлетворительно описывают термосферу. В работе пренэбрегается эффектами склонения и электромагнитными дрейфами, то есть, полагается уг = Упха1п1соз1, где меридиональная компонента термосферного ветра. Сравнение результатов расчетов с данными некогерентного рассеяния в магштоспокойные периоды показывает, что модель удовлетворительно описывает дневную Р2-область: расхождение мекду рассчитанными и экспериментальными значениями составляет по электронной концентрации по скорости дрейфа ~10 м/с. Построенная модель

позволяет исследовать влияние на Р2-область процессов изменения ионизацконно - рекомбинационяого равновесия (в результате " изменения состава тер:,юсферы) и изменения динамики Р2-слоя (вариации скорости ионного дрейфа). Модель используется для количественных оценок в рамках развиваемых в работе представлений.

В третьей главе проведено исследование бурь в северном полушарии в разные сезоны. Для анализа были выбраны бури 25-27.01.74 и 5-7.07.74; выбор этих периодов обусловлен наличием данных по нейтральному составу и температуре термосферы (ИСЗ АЕ-С), а также данных по высотам Р2-слоя, полученных из обработки

ионограмм.

Рассмотрение данных ВЗ в период 25-27.01.74 показывает, что после, внезапного начала бури, имевшего место в 5 UT, в ионосфере восточного (\=0°-150°Е) и западного (Я.=255°-300°Е) долготных секторов 25.01 в дневные часы наблюдались возмущения ioF2 разных знаков. При этом во всем интервале широт 55°- 30° в восточном секторе отмечалась положительная фаза, тогда как в западном секторе широты 55°- 40° были заняты отрицательными возмущениями, а на более низкоширотных станциях также наблюдались положительные отклонения i0F2.

Как следует из анализа данных ИСЗ АЕ-С, термосферные возмущения в северном полушарии распределились по долготе также крайне неравномерно: 25.01 область с увеличенным значением N2/0 оказалась ограниченной в восточном секторе широтой Ф~65°, а в западном секторе - широтой Ф~4Сf. При зтсм на низких Ф~30° широтах в западном секторе отношение N2/0, наоборот, уменьшилось. Как показывают оценки, сделанные при помощи MSIS-86, измеренного увеличения температуры термосферы недостаточно для объяснения наблюдаемых возмущений Nz/0.

Расчеты, проведенные на одномерной модели с привлечением данных по нейтральному составу, показывают, что: I)-положительная фаза в ионосфере восточного сектора обусловлена уменьшением по величине направленной к полюсу меридиональной компоненты термосферного ветра; 2) - отрицательная фаза на широтах 55°- 40° западного сектора вызвана совместным действием возмущений нейтрального состава (увеличение К2/0) и термосферного ветра, который в этом секторе был направлей к экватору даже в дневные часы 25.01; 3) - за положительную фазу на широтах Ф~30° западного сектора ответственны как возмущения термосферного ветра, так и

избыток атомного кислорода (уменьшение И2/0).

Из проведенного количественного рассмотрения следует, что наблюдаемое распределение возмущений может быть интерпретировано в рамках известной гипотезы о взаимодействии фоновой и буревой компонент термосферной циркуляции. В том секторе, где в момент БС была ночь (западный сектор), вследствие суточного хода Упх (ночью к экватору, днем к полюсу) в течение нескольких часов после начала разогрева полярных областей термосферный ветер был направлен к экватору. Совпадение направления фоновой и буревой компонент термосферной циркуляции привело к перестройке термосферы в данном долготном регионе, вызвав уменьшение И2/0 и отрицательную фазу в ионосфере на широтах до Ф~40°. Избыток 0 на более низких широтах, вызванный нисходящими токами при замыкании ячейки циркуляции привел к положительной фазе. В восточном секторе (утро в момент БС) направления фоновой и буревой компонент оказались противоположны, что привело к локализации термосферных возмущений в высоких широтах и положительной фазе в ионосфере средних широт.

Данные наблюдений и расчеты позволяют, следовательно, сделать вывод, что эффект различного местного времени в разных долготных секторах в момент БС действительно приводит к существованию долготных вариаций ДГГ2. Неравноценность ночного и дневного (по отношению к моменту БС) секторов обусловливается суточными вариациями Упх. Естественно ожидать при этом, что в летнем полушарии, в котором меридиональный ветер на средних широтах большую часть суток направлен к экватору, эффект местного времени будет выражен менее отчетливо.

Рассмотрение данных ВЗ и АЕ-С для случая летней бури 5-7.07 показывает, что на широте Ф~50° во всех долготных секторах северного полушария в дневные часы 5.07 имели место отрицательные

возмущения обусловленные - равномерным распределением

возмущений Кг/0. Из результатов расчетов, проведенных с учетом данных по нейтральному составу, следует, что и возмущения Упх во всех.долготных секторах имели примерно одинаковый характер. Даже в той долготной зоне, где БС произошло днем, в течение нескольких часов после ЗС 7п)< была направлена к экватору, способствуя распространению возмущений Н2/0 на средние широты.

Таким образом, на примере частных случаев бурь показано, что гипотеза о взаимодействии фоновой и буревой компонент термосферной циркуляции объясняет характер распределения ионосферных и термосферных возмущений по долготе, приводя к эффекту местного времени в зимнем полушарии; данный механизм в состоянии- ^акже объяснить сезонные различия в долготном распределении возмущений.

В четвертой главе с точки зрения предложенного механизма (ветровой гипотезы) для большого числа бурь проанализированы картины распределения возмущений Л1о?2 по долготе. Рассмотрение данных ВЗ за два цикла солнечной активности (1968 - 1986 гг.) позволило проверить некоторые следствия ветровой гипотезы, в частности, оценить вклад эффекта местного времени в наблюдаемое распределение АГоР2.

Для выделения пространственной компоненты А1оР2(г,\) было введено понятие мощности ионосферного возмущения, которая определяется следующим образом:

Л

Э = / <М(Г0-<10>)/<10>]'«

ч

Здесь г-местное время в часах; ^-момент БС; Х^^ 24*0-часовые значения Г0Р2 ; <Г0> - скользящая медиана, вычисляемая по медианным значениям данного, предшествующего и последующего

месяцев; днем С = 1, ночью С = 0. Таким образом, интеграл берется только по дневным часам в течение суток после БС. Далее величина 5 рассчитывается для каждой из 8 среднеширотных станций ВЗ, расположенных вдоль круга Ф~50° и рассматриваются зависимости Б(М, Где Я-долгота, для каждой из 60 выбранных бурь, причем Б(А.) интерпретируются как долготные вариации ионосферной возмущенности. Общая сводка расчетов показана в таблице:

Количество случаев знакопеременных и знакопостоянных S(A.) в различные сезоны.

S меняет знак S отрицательна для всех К общее число бурь

лето 10 16 29

зима 27 ' 5 33

Из таблицы видно, что во время зимних (ноябрь-февраль) бурь в 82% случаев Б (А.) меняет знак. Более полное рассмотрение с привлечением анализа Фурье для расчета фазы S(\) показывает, что для 80% рассмотренных зимних бурь отрицательные возмущения в дневные часы имеют место в тех долготных секторах, в которых в момент SC была ночь; в дневных секторах S(X) положительна. Это позволяет сделать вывод о том, что а) рассмотренная в главе 3 буря 25-27.01.74 вполне типична; б) распределение возмущений в периоды зимних бурь в 80% случаев управляется эффектом местного времени.

Результаты расчетов S(Я) для летних бурь показывают, что примерно в 50% случаев все летнее полушарие захватывается отрицательными ионосферными возмущениями, в остальных случаях наблюдается знакопеременное распределение ДГ0Р2. Анализ фазы

кривой Б(М, однако, позволяет сделать вывод, что в случаях знакопеременного Б(\) летом распределение возмущений, не контролируется эффектом местного времени.

С целью независимой проверки предложенного механизма в четвертой главе проведено рассмотрение нескольких случаев распределения термосферных возмущений в периоды бурь по данным ИСЗ, не описанных в главе 3. Показано, что поведение Г*2/0 на средних широтах также контролируется эффектом местного времени.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы.

1. На основе анализа данных по мировой сети станций ВЗ'й спутниковых наблюдений показано, что во время ионосферных бурь с внезапным началом на средних широтах присутствуют крупномасштабные долготные вариации ионосферно-термосферных возмущений, вызванные эффектом местного времени. Обнаружена сезонная зависимость в пространственном распределении возмущений: ярко выраженные долготные вариации зимой и более равномерное распределение возмущений по долготе летом.

2. Предложен механизм, являющийся уточнением известной гипотезы о взаимодействии фоновой и буревой систем термосферных ветров и объясняющий распределение ионосферных и термосферных возмущений на средних широтах во время магнитных бурь по долготе..

3. Показано, что в начальную фазу бури в зимний сезон дневной и ночной долготные сектора оказываются в разных физических условиях, которые определяют последующий характер развития возмущений в этих долготных зонах.

-а) В ночном секторе возмущенный термосферный ветер совпадает по направлению с фоновым, что приводит к изменению нейтрального

состава вплоть до низких широт. На средних широтах в термосфере этого сектора наблюдаются увеличенные значения отношения N2/0, а в ?2-области ионосферы - отрицательные возмущения. На низких широтах имеет место уменьшение N^/О и положительные отклонения в Р2-области.

б) В дневном секторе зимнего полушария происходит локализация возмущений нейтрального состава в высоких широтах из-за противодействия фоновой компоненты циркуляции, что приводит к формированию устойчивых положительных возмущений в среднеширотной Р2-области.

4. Показано, что в летний сезон из-за совпадения направлений фонового и возмущенного термосферных ветров в течение большей части суток все долготные сектора оказываются примерно в одинаковых условиях: происходит увеличение N2/0 в термосфере средних широт и наблюдается отрицательная фаза ионосферной бури.

5. На основе анализа большого количества изолированных ионосферных бурь за 2 цикла солнечной активности по мировой сети станций ВЗ показано, что предложенный в работе подход, основанный на явлении взаимодействия возмущенного ветра с фоновой циркуляцией позволяет предсказать распределение возмущений ГоР2 по долготе в 80% случаев в зимний период и в 50% случаев'в летний.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Михайлов A.B., Скоблин М.Г. Долготные вариации положительной фазы бури 25-27 января 1974 г. с точки зрения механизмов ' ее образования. Геомагнетизм и аэрономия, 1990, Т.30, N5, С.765.

2. Скоблин М.Г., Михайлов A.B. Сезонные различия в развитии ионосферно - термосферных возмущений в Р2-области ионосферы.