Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Структура глобального долготного эффекта во внешней ионосфере

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Структура глобального долготного эффекта во внешней ионосфере"

На правах рукописи

Карпачёв Олег Александрович

СТРУКТУРА ГЛОБАЛЬНОГО ДОЛГОТНОГО ЭФФЕКТА ВО ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЕ

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

0046

5415

Троицк - 2010

004615415

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИР АН)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук ШУБИН Валентин Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор МИХАИЛОВ Андрей Валерьевич

Ведущая организация:

Научно - исследовательский институт физики Южного федерального университета (НИИФ ЮФУ)

Защита диссертации состоится 26 октября 2010 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 при Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН по адресу: 142190 г. Троицк, Московской обл., ИЗМИР АН (Проезд авт. 398 от станции метро «Теплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН

доктор физико-математических наук, профессор НАМГАЛАДЗЕ Александр Андреевич

Автореферат разослан_сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.237.01 доктор физ.-мат. наук, профессор

Михайлов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предметом диссертационной работы являются долготные вариации параметров максимума слоя ¥2 ионосферы средних и субавроральных широт, морфология и причины.

Актуальность работы. Долготный эффект (ДЭ) является составной частью глобального распределения параметров ионосферы. ДЭ охватывает всю толщу верхней ионосферы, включая параметры максимума Р2-слоя ИтР2 и ЫтР2, и наблюдается при всех гелио-геофизических условиях. Амплитуда ДЭ в ЫтР2 в некоторых условиях может достигать порядка величины, что сравнимо с амплитудой суточных вариаций или вариаций во время сильной магнитной бури. Поэтому без знания ДЭ, как фонового состояния ионосферы, анализ глобальных вариаций в ионосфере по спутниковым данным невозможен. Однако для того, чтобы исследовать характер ДЭ и понять его причины необходимо иметь полную информацию об изучаемом параметре - для всех долгот. Глобальная сеть наземных ионосферных станций не позволяет этого сделать, а единственным спутником, который дает полную информацию о параметрах слоя ¥2, является Интеркосмос-19 (ПК-19). Поэтому долготные вариации ИтР2 и ИтР2 до сих пор недостаточно хорошо исследованы и некорректно отражены в моделях ионосферы. Основные причины ДЭ в ионосфере средних широт в принципе известны - нейтральный ветер, солнечное излучение, вариации состава и температуры атмосферы. Однако вклад этих факторов до сих пор точно не определен. Мало того, до сих пор идет оживленная дискуссия о причинах аномалии моря Уэдделла (\У8А), обнаруженной еще в 1958 г. \УБА проявляется в виде аномальных (обратных по знаку) суточных вариаций ИтР2 и в виде аномально сильных долготных вариаций ИтР2 в летнем южном полушарии. Аналогичная аномалия наблюдается и в северном полушарии, на долготах Якутска и Магадана. Непрекращающаяся дискуссия по поводу \¥БА

свидетельствует о том, что качественные рассуждения не позволяют однозначно определить причины аномальных долготно/суточных вариаций. Необходимо переходить к количественному анализу на основе современных моделей ионосферы и термосферы. Анализ ДЭ был начат ранее в ИЗМИР АН на основе простых, но достаточно точных аналитических моделей ионосферы. В последнее время был создан большой банк данных спутника ИК-19, который позволяет исследовать ДЭ в полном масштабе - для всех широт северного и южного полушарий, всех часов местного времени и сезонов. Таким образом, актуальность работы определяют не изученность предмета исследований, и морфологии и причин; создание уникального банка данных спутника ИК-19, который позволяет решить задачу в полном объеме; и наличие разработанной в ИЗМИР АН методики расчетов долготных вариаций параметров ионосферы, которую можно использовать для анализа причин ДЭ.

Цель работы - исследование долготных вариаций параметров максимума слоя ¥2 (/ЬГ2 и 1гтР2) в ионосфере средних и субавроральных широт. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. По данным внешнего зондирования на спутнике ИК-19 построить морфологическую картину ДЭ в ¡оП в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов.

2. По данным спутника ИК-19 построить морфологическую картину 1Л-эффекта в yoF2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов.

3. На основе количественных расчетов и качественного анализа установить причины ДЭ и иТ-контроля ионосферы средних широт. Для проведения численных расчетов провести сравнительный анализ существующих аналитических моделей дневной и ночной ионосферы.

4. Исследовать морфологию и причины аномалии моря Уэдделла и Якутской аномалии.

Научная новизна работы определяется результатами, полученными впервые:

1. На основе уникального массива данных внешнего зондирования на спутнике ИК-19 построена полная картина ДЭ в/аР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов в условиях высокой солнечной активности (1979-1981 г.). Детально исследованы характеристики этой картины, включая изменения характера и амплитуды ДЭ с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, наличие сильного географического и геомагнитного контроля ионосферы средних широт.

2. По тем же данным спутника ИК-19 построена полная картина 1Л-эффекта в в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов. Исследованы ее характеристики, включая сезонные различия и асимметрию полушарий. Показано, что иТ-контроль южного полушария носит более сложный характер, чем в простой модели «07иТ-эффекта».

3. Проведено дальнейшее развитие методики решения обратной задачи: на основе аналитических моделей дневной и ночной ионосферы, детально проанализированных в работе, проведены расчеты скорости вертикального дрейфа плазмы IV из долготных вариаций АттР2 и ктР2. Это позволило определить причины долготных вариаций 1ЧтГ2 и ЬтР2 в дневной и ночной ионосфере средних и субавроральных широт, и сделать оценки вклада в ДЭ каждого из факторов: нейтрального ветра, солнечного излучения, состава и температуры термосферы. На основе качественного анализа, с учетом результатов, полученных при численных расчетах и с привлечением модели нейтрального ветра Н\¥М, выявлены причины изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном, полушарием в геомагнитной и географической системах координат.

4. Выделены зоны аномальных долготно/суточных вариаций foF2 в летней ионосфере южного и северного полушарий. Детально исследованы характеристики и динамика развития аномалии моря Уэдделла (WSA) в летнем южном полушарии, показано, что основные характеристики WSA подобны для условий высокой и низкой солнечной активности. На основе расчетов и качественного анализа определены причины формирования аномалии моря Уэдделла и Якутской аномалии, получено, что главными из них являются нейтральный ветер и солнечное излучение.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы для: а) усовершенствования глобальной модели ионосферы, б) коррекции модели нейтрального горизонтального ветра HWM, в) более адекватного прогноза условия распространения радиоволн в ионосфере средних широт, г) дальнейших исследований аномального поведения ионосферы с целью более глубокого понимания процессов, происходящих в околоземном пространстве.

Достоверность полученных результатов обусловлена огромным массивом данных спутника ИК-19; сравнением их с данными наземного зондирования, а также с данными спутников Ariel-1 и 3, ESRO 1 и 4, CHAMP, DMSP, TOPEX/Poseidon и COSMIC/Formosat3; физической обоснованностью исходных уравнений и положений; тщательным сравнительным анализом использованных для расчетов аналитических моделей ионосферы.

На защиту выносятся:

1. Полная морфологическая картина ДЭ в foF2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов, построенная на основе большого массива данных спутника ИК-19 для высокой

солнечной активности, и включающая изменения характера и амплитуды ДЭ с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, сильный географический и геомагнитный контроль ионосферы средних широт.

2. Полная морфологическая картина UT-эффекта в foF2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов, построенная по тем же данным спутника ИК-19 и включающая сезонные различия и асимметрию полушарий.

3. Результаты количественного и качественного анализа изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном и полушарием в географической и геомагнитной системах координат. Результаты численных расчетов вклада различных факторов в долготные вариации параметров максимума слоя F2 на основе протестированных в работе аналитических моделей дневной и ночной ионосферы.

4. Морфологическая картина и причины образования аномалии моря Уэдделла в южном полушарии и Якутской аномалии в северном полушарии в условиях местного лета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 33-м ежегодном Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений» (Апатиты, ПГИ КНЦ РАН, март 2010 г.), Международной научной конференции "Атмосфера, ионосфера, безопасность" (AIS-2010) (Калининград, РГУ им. И.Канта, июнь 2010), 38th COSPAR Scientific Assembly (Времен, Германия, июль 2010), International conference on Problems of Geocosmos (Санкт-Петербург, сентябрь 2010).

По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Личный вклад автора состоит в обработке и визуализации данных внешнего зондирования, построении полной картины ДЭ и UT-контроля ионосферы

средних широта, выделении ее характеристик, проведении численных расчетов, совместном анализе и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 153 страницы печатного текста, 72 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, которые выносятся на защиту. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе дан краткий обзор основных проявлений ДЭ, представленных в литературе. Обзор начинается со средних широт, как наиболее изученных (1.1). Приведены ссылки на первые исследования ДЭ по данным прямых измерений Ne во внешней ионосферы на спутниках Ariel 1 и 3. Показано развитие этих исследований в ИЗМИР АН, проведенных по данным спутника ИК-19, касающееся характера и причин ДЭ. ДЭ в ионосфере высоких широт обсуждается в п. 1.2 как UT-контроль ионосферы по данным наземных станций в Арктике и Антарктике. Поскольку главным структурным образованием в субавроральной ионосфере является главный ионосферный провал (ГИП), показаны изменения его конфигурации с долготой по данным спутника ИК-19. ДЭ в ионосфере низких широт обсуждается через призму изменений структуры экваториальной аномалии (1.3). В п.1.4 показано, что ДЭ охватывает всю толщу верхней ионосферы. В п. 1.5 обсуждается UT-контроль ионосферы средних широт на основе модели «07иТ-эффекта», построенной по данным спутников ESRO 1 и

4. В п. 1.6 показано, что ДЭ приводит к сильной асимметрии полушарий. Наконец делается вывод о том, что ДЭ является стабильной характеристикой ионосферы, он охватывает все широты и высоты внешней ионосферы и характеризуется значительной амплитудой. Все это определяет постоянный интерес к исследованию глобального ДЭ. Отмечено, что приоритет в этой области принадлежит ИЗМИРАН (1.7).

Во второй главе проводится анализ аналитических моделей ионосферы на предмет проведения численных расчетов с целью определения причин ДЭ и оценки их вклада в ДЭ. Проводятся эти расчеты и делаются оценки вклада разных факторов в долготные вариации ЪтР2 и ЫтР2 в дневной и ночной ионосфере средних и субавроральных широт.

Для достижения поставленной цели в п.2.1 рассмотрены аналитические модели ночной ионосферы [Бенькова и др., 1986] и серво-модель [КгзИЬеЛ, 1967]. Получены наглядные приближенные (аппроксимированные) зависимости для НтР2 и ЫтР2 для более четкого понимания причин ДЭ. Проведено тестирование обеих моделей на основе решения обратной задачи: рассчитаны вариации скорости вертикального дрейфа Ж из долготных вариаций ИтР2, выделенных по данным спутника ИК-19 в летней ночной среднеширотной ионосфере, с учетом вариаций состава и температуры нейтральной атмосферы по модели М818. Показано, что обе модели дают близкие результатам. Проведено сравнение рассчитанных вариаций IV с вариациями, полученными из модели Н\УМ93. Сделаны оценки вклада разных факторов в долготные вариации ИтР2. Показано, что они примерно на 60% определяются нейтральным ветром и на 40% составом и температурой термосферы, причем вклад состава больше, чем вклад температуры.

Проведен анализ долготных вариаций ЫтР2, выделенных по данным спутника ИК-19 на широте 40°1ЬАТ в ночной летней ионосфере южного

полушария, на основе расчетов по модели [Бенькова и др., 1986]. Показано, что в неосвещенной среднеширотной ионосфере вариации ИтР2 определяются в основном остаточной концентрацией электронов и ее распадом под действием рекомбинации. Нейтральный ветер вносит меньший вклад. Вклад состава термосферы в ДЭ небольшой.

В п.2.2 аналогично рассмотрены аналитические модели дневной ионосферы [Бадин, 1989] и [Ситнов и др., 1992], получены приближенные (аппроксимированные) зависимости для ктП и ЫтР2. Проведено тестирование моделей на основе расчетов скорости вертикального дрейфа Ш из долготных вариаций 1гтР2, выделенных по данным спутника ИК-19 в летней дневной среднеширотной ионосфере. Сделан выбор в пользу модели [Ситнов и др., 1992], которая и используется для дальнейших расчетов. Проделаны оценки вклада разных факторов в долготные вариации /гтР2. Показано, что вклад состава и температуры атмосферы в долготные вариации ктР2 в дневных условиях незначительный, в отличие от ночных. Вклад каждой из компонент ветра примерно одинаковый. При этом эффект меридиональной компоненты определяется, в основном, долготными вариациями ее скорости, а эффект зональной компоненты - и вариациями скорости, и изменениями склонения геомагнитного поля.

Проведен анализ долготных вариаций ИтР2, выделенных по данным спутника ИК-19 на широте 65°1ЬАТ в ночной летней ионосфере южного полушария, на основе расчетов по модели [Ситнов и др., 1986]. Получено, что долготные вариации ЫтР2 в ночной, частично освещенной высокоширотной ионосфере на фиксированной геомагнитной широте 65° определяются вариациями скорости вертикального дрейфа плазмы под действием нейтрального ветра, функции солнечной ионизации (вследствие изменений зенитного угла Солнца), концентрации N2 и температуры термосферы в примерном соотношении

7:10:-2:-1. Отрицательный знак в этом соотношении указывает на обратный характер вклада соответствующего параметра.

В третьей главе ставится задача преодолеть проблемы обработки данных внешнего зондирования на спутнике ИК-19, построить морфологическую картину ДЭ в /оР2 для средних широт, и определить причины изменений характера и амплитуды ДЭ в_/ЬР2 с местным временем, сезоном и полушарием.

В п.3.1. обсуждаются проблемы обработки и анализа данных. Показано, что большой разброс данных связан с целым рядом причин, обусловленных спецификой спутниковых наблюдений, которые, однако, были успешно преодолены в рамках поставленной задачи.

В п.3.2 по данным спутника ИК-19 впервые получена полная картина ДЭ в /oF2 для средних широт северного и южного полушарий в условиях высокой солнечной активности (1979-1981 г.). Она охватывает все часы местного времени и все сезоны. Детально изучены характеристики ДЭ. Получено, что во время равноденствия ДЭ в обоих полушариях гораздо сильнее ночью, чем днем. В дневное время амплитуда ДЭ практически не изменяется с сезоном- В южном летнем полушарии наблюдаются максимальные изменения амплитуды ДЭ с местным временем, при этом она превышает 6 МГц в ночные часы. Местной зимой, в обоих полушариях самые сильные вариации с долготой наблюдаются в поздние вечерние/дополуночные часы, при этом относительная амплитуда ДЭ в _/аГ2 достигает максимального значения 3.2, т.е. электронная концентрация в некоторых условиях может изменяться с долготой на порядок величины, что сравнимо с суточными вариациями или возмущениями во время сильной магнитной бури. Наблюдается сильная асимметрия полушарий - ДЭ сильнее в южном полушарии и практически в любое время суток может быть описан одной гармоникой, в северном полушарии для этого требуется две гармоники.

В п.3.3 на основе количественных расчетов и качественного анализа, опирающегося на эти расчеты, а также на данные модели нейтрального ветра Н\УМ93, проанализированы причины изменений амплитуды и характера ДЭ в ЪР2 с местным временем, сезоном и полушарием. Показано, что долготные вариации /аР2 определяются, в основном, эффектом нейтрального ветра. При этом несмотря на большие претензии к модели 1^М93, параметры нейтрального ветра, представленные в ней, в целом хорошо согласуются с картиной ДЭ в /оР2. В геомагнитной системе координат днем основной вклад в ДЭ вносят нейтральный ветер и солнечное излучение в примерном соотношении 4:1. В летнем южном полушарии из-за большой разницы между географическим и геомагнитным полюсами даже ночью сказывается влияние солнечного излучения, в результате здесь наблюдается самая большая амплитуда ДЭ (6 МГц). Эффект нейтрального ветра обеспечивается, главным образом, вариациями склонения геомагнитного поля и изменениями скорости самого ветра. В неосвещенной среднеширотной дополуночной летней ионосфере вариации определяются остаточной концентрацией электронов и ее распадом под действием рекомбинации, вклад нейтрального (зонального) ветра несколько меньше. Однако, поскольку ночью эффект ветра носит интегральный характер, он постепенно накапливается, и к 20-22 ЬТ кривые ДЭ практически повторяют вариации ктО. В зимних и равноденственных условиях дополнительно сказывается влияние плазмосферного потока. Меридиональный ветер после полуночи создает вертикальный дрейф, подобный созданным до этого вариациям /ЪР2, поэтому форма ДЭ, против ожиданий, слабо изменяется в течение всей ночи. Вклад состава и температуры термосферы в ДЭ обычно не превышает нескольких процентов, однако есть основания полагать, что он резко возрастает на восходе и заходе Солнца. В географической системе координат эффект меридионального ветра определяется, в основном, вариациями яш2/, а зонального ветра - вариациями 5\п051п21. Таким образом и сам ДЭ и асимметрия

полушарий в географической системе координат определяются изменениями характеристик геомагнитного поля - склонения и наклонения, В летнем южном полушарии поведение ¡оР2 полностью определяется геомагнитным контролем, поскольку широта 450Б попадает либо в зону влияния ГИП, либо ЭА.

Наличие полной картины ДЭ позволяет построить и полную картину иТ-эффекта в ионосфере средних широт. В п.3.4 впервые получена полная картина иТ-эффекта в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех сезонов и всех часов мирового времени. Во время местной зимы она имеет тривиальный характер, поскольку определяется, в основном, сильным солнечным контролем, т.е. суточными вариациями /оР2 большой амплитуды. В периоды равноденствий на суточные вариации накладываются долготные, которые заметно искажают такую простую картину иТ-контроля. В условиях местного лета амплитуда ДЭ в /оР2 сравнима с амплитудой суточных вариаций, которые к тому же имеют гораздо более сложный характер, чем зимой. В результате 1ГГ-контроль летней ионосферы северного полушария слабый и нерегулярный, поскольку определяется суммой сложных по характеру суточных и долготных вариаций _/ЪР2. иТ-контроль среднеширотной летней ионосферы южного полушария определяется, в основном, сильными долготными вариациями /оР2. Данные спутника ИК-19 не подтверждают простую концепцию «07иТ-эффекта» в южном полушарии, которая в виде модели была получена ранее по данным спутников Е81Ю-1 и 4. На самом деле картина иТ-эффекта сложнее, она состоит из двух разных частей - дневной и ночной.

В четвертой главе проводится исследование аномальных долготно/суточных вариаций /оР2 в области аномалии моря Уэдделла (\У8А) в южном полушарии и Якутской аномалии в северном полушарии.

В п.4.1 по данным спутника ИК-19 для высокой солнечной активности (19791981 г.) впервые построено и проанализировано глобальное распределение foF2 для околополуденных и послеполуночных часов местного времени в южном летнем полушарии. Построено также аналогичное распределение fp~foF2 по данным спутника CHAMP для минимума солнечной активности (2005-2006 г.). Сравнение данных спутников ИК-19 и CHAMP показывает, что основные характеристики WSA подобны для условий высокой и низкой солнечной активности. Исследована динамика развития WSA с местным временем, аномалия достигает максимального развития в 00-02LT и существует до 06LT.

По данным спутника ИК-19 впервые выделена зона аномального поведения foF2 в летнем южном полушарии. Она занимает практически все долготы западного полушария, при этом максимальное превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 4-5 МГц на долготах 255-315° и широтах 50-55° ILAT. Зона аномалии намного больше моря Уэдделла и никак не связана с ним, поэтому более оправдано для нее название зона АСВК - зона аномальных суточных вариаций электронной концентрации.

В п.4.2 по данным спутника ИК-19 также впервые выделена зона аномального поведения foF2 в летнем северном полушарии. Она занимает меньшую, чем в южном полушарии, но довольно значительную область на долготах 80-220°Е и широтах 45-75°N. При этом максимальное превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 2-2.5 МГц на долготах 120-150° и широтах около 60°N (т.е. вблизи Магадана и Якутска).

WSA определяется низкими значениями foF2 в дневной ионосфере и чрезвычайно высокими значениями в ночной ионосфере на долготах западного полушария, поэтому можно говорить об аномальных долготно/суточных вариациях в области WSA. В п.4.3 на основе глобального распределения электронной концентрации в летнем южном полушарии исследованы долготные вариации параметров ионосферы и термосферы, что позволяет говорить о

причинах АСВК. Эти причины по разному проявляются в геомагнитной и географической системах координат.

а) В геомагнитной системе координат (на фиксированной широте 52.5°И.ЛТ) ДЭ определяется изменениями с долготой уровня солнечной ионизации, скорости вертикального дрейфа плазмы, отношения [0]/[И2] и температуры термосферы Т„. Вариации этих параметров на долготах западного полушария обеспечивают более высокие значения /оР2 ночью, чем днем. Наибольший вклад в ДЭ вносят солнечное излучение и нейтральный ветер.

б) В географической системе координат ситуация сложнее. Долготные вариации /оР2 в дневной высокоширотной ионосфере в большей степени определяются высыпаниями частиц в области каспа и примыкающим к нему провалом ионизации, чем нейтральным ветром. В ночной высокоширотной ионосфере нейтральный ветер, безусловно, играет доминирующую роль в создании очень сильного ДЭ с максимумом /оР2 на долготах аномалии. Но необходимо также учитывать и влияние главного ионосферного провала, а, следовательно, и механизмов, его создающих.

в) Анализ, проведенный для Якутской аномалии, полностью подтверждает выводы, сделанные при исследовании причин \VSA-

Итак, расчеты и основанный на них качественный анализ показывают, что главной причиной АСВК является нейтральный ветер. Эффект нейтрального ветра определяется долготными вариациями его скорости и зависимостью от склонения и наклонения геомагнитного поля. Что касается точной количественной оценки его вклада, то она станет возможной только после появления более адекватной модели нейтрального ветра.

Привлечение других механизмов в роли главных причин аномалии, как например, потоков из плазмосферы, электрических полей, процессов в Южноатлантической аномалии и т.п. не представляется оправданным. Однако

окончательный ответ на все вопросы, связанные с формированием аномалии можно будет получить только на основе дальнейших исследований.

Поскольку основные результаты каждого этапа работы приведены в выводах к каждой главе, то в заключении кратко суммированы только наиболее важные из них.

Основные результаты работы.

1. По данным спутника ИК-19 для высокой солнечной активности (1979-1981 г.) впервые построена полная морфологическая картина ДЭ в /оР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов. Исследованы характеристики ДЭ, включая изменения его характера и амплитуды с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, сильный геомагнитный контроль ионосферы средних широт. Получено, в частности, что ДЭ сильнее ночью, чем днем, при этом в южном летнем полушарии амплитуда ДЭ в /оР2 достигает 6 МГц. В дневное время амплитуда ДЭ практически не изменяется с сезоном. Местной зимой наиболее сильный ДЭ наблюдается в поздние вечерние/дополуночные часы, так что в южном полушарии электронная концентрация изменяется с долготой на порядок величины, что сравнимо с суточными вариациями. Наблюдается сильная асимметрия полушарий - ДЭ сильнее в южном полушарии и может быть описан одной гармоникой, а в северном полушарии для этого требуется две гармоники.

2. Впервые получена полная картина иТ-эффекта в/оР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех сезонов и всех часов мирового времени. Во время местной зимы она определяется, в основном, суточными вариациями /оР2 большой амплитуды. В периоды равноденствий на суточные вариации /оР2 накладываются долготные, которые заметно искажают такую простую картину. В условиях местного лета амплитуда ДЭ в /оР2 сравнима с амплитудой суточных вариаций, которые к тому же имеют более сложный

характер, чем зимой. В результате иТ-контроль летней ионосферы северного полушария слабый и нерегулярный, поскольку определяется суммой сложных по характеру суточных и долготных вариаций/оР2. иТ-контроль летней ионосферы южного полушария определяется, в основном, сильными долготными вариациями /оР2.

3. На основе тщательно протестированных аналитических моделей ионосферы проведены расчеты скорости вертикального дрейфа плазмы (V из долготных вариаций МпР2 и ЪтР2. Это позволило определить причины долготных вариаций ИтР2 и ИтР2 в дневной и ночной ионосфере, и сделать оценки вклада в ДЭ каждого из факторов. На основе полученных результатов и с привлечением модели нейтрального ветра Н\УМ93, выявлены причины изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном и полушарием в геомагнитной и географической системах координат. В геомагнитной системе координат днем основной вклад в ДЭ вносят нейтральный ветер и солнечное излучение в примерном соотношении 4:1. В неосвещенной дополуночной ионосфере вариации /ЬР2 определяются остаточной концентрацией электронов и ее распадом под действием рекомбинации, вклад нейтрального (зонального) ветра несколько меньше. В летнем южном полушарии к эффекту ветра даже в полночь добавляется сильное влияние солнечной ионизации, поэтому здесь наблюдается самая большая амплитуда ДЭ. После полуночи основной вклад в ДЭ вносит меридиональный ветер. Вклад состава и температуры термосферы в ДЭ обычно не превышает нескольких процентов. В географической системе координат ДЭ определяется, в основном, нейтральным ветром, при этом эффект меридионального ветра обусловлен, главным образом, вариациями х1п21, а зонального ветра - вариациями 5'тй5\п21. В летнем южном полушарии поведение /оР2 полностью определяется геомагнитным контролем, обусловленным влиянием ГИП и ЭА.

4. Выделены зоны аномальных долготно/суточных вариаций foF2 в летней ионосфере южного и северного полушарий. Исследованы характеристики и динамика развития аномалии моря Уэдделла в южном полушарии. Она занимает долготы западного полушария, при этом превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 4-5 МГц на долготах 255-315° и широтах 50-55° ILAT. В северном полушарии аномалия занимает меньшую, чем в южном, но довольно значительную область на долготах 80-220°Е и широтах 45-75°N. При этом превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 2-2.5 МГц вблизи Магадана и Якутска. На основе расчетов и качественного анализа рассмотрены все возможные причины формирования аномалии моря Уэдделла и Якутской аномалии, показано, что главными из них являются нейтральный ветер и солнечное излучение. Со стороны высоких широт аномалия ограничена ГИП.

Основные публикации по теме диссертационной работы

1. Карпачев O.A., Телегин В.А., Колесников Р.В. Анализ аномалий параметров ионосферы Земли по данным внешнего зондирования // Научно-технический сборник в/ч 45807-Р/1. -2010. Вып.1(192). с.10-19.

2. Карпачев А. Т., Гасилов Н. А., Карпачев О. А. Причины долготных вариаций NmF2 на средних и субавроральных широтах в летних ночных условиях // Геомагнетизм и аэрономия. Т.50. № 4. с.507-513. 2010.

О.А.Карпачёв

СТРУКТУРА ГЛОБАЛЬНОГО ДОЛГОТНОГО ЭФФЕКТА ВО ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЕ

Подписано в печать 14.09.2010 г. Формат 60x84/16. Печ. л.1. Тираж 100 экз. Заказ 4858.

Издательство «Тровант» ЛР 071961 ot01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д. 52. Тел. (495) 775-43-35, (4967) 50-21-81 E-mail: lrovant@trtk.ru. httpy/www.trovanfcr»/

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Карпачев, Олег Александрович

Введение.

Глава I. Долготный эффект и иТ-контроль во внешней ионосфере Земли (обзор).

1.1. Средние широты.

1.2. Высокие широты.

1.3. Экваториальные широты.

1.4. Внешняя ионосфера.

1.5. иТ-контроль ионосферы.

1.6. Асимметрия северного и южного полушарий.

1.7. Выводы.

Глава II. Анализ причин долготных вариаций 1Чт¥2 и /г/мF2 на основе моделей ионосферы и термосферы.

2.1. Модели ночной ионосферы.

2.1.1. Модель [Бенькова и др., 1986].

2.1.2. Серво-модель [ШэЬЬеА, 1967].

2.1.3. Сравнение моделей.

2.1.4. Анализ долготных вариаций ЫтК2 и ИтР2 в ночной среднеширотной ионосфере.

2.2. Модели дневной ионосферы.

2.2.1. Модель дневной ионосферы [Бадин, 1989].

2.2.2. Модель дневной среднеширотной ионосферы [Ситнов и др., 1992].

2.2.3. Сравнение моделей.

2.2.4. Анализ долготных вариаций ЫтЮ. и ктР2 на широте 65° 1ЬАТ.

2.3. Выводы.

Глава III. Глобальная картина долготного эффекта и иТ-контроля в/оП на средних широтах северного и южного полушарий.

3.1. Данные спутника Интеркосмос-19.

3.2. Глобальная картина ДЭ в /оР2 для средних широт северного и южного полушарий в условиях высокой солнечной активности.

3.3. Анализ причин ДЭ.

3.4. UT-эффект в ионосфере средних широт северного и южного полушарий.

3.5. Выводы.

Глава IV. Аномалия моря Уэдделла и Якутская аномалия: морфология и причины.

4.1 Аномалия моря Уэдделла в южном полушарии.

4.1.1. Динамика развития аномалии с местным временем.

4.1.2. Суточные и долготные вариации foF2.ИЗ

4.1.3. Зона аномальных суточных вариаций foF2.

4.2. Якутская аномалия.

4.2.1. Суточные вариации foF2.

4.2.2. Глобальное распределение foF2 в северном полушарии для летнего солнцестояния.

4.3. Механизм формирования аномалии.

4.3.1. Дневная ионосфера.

4.3.1.1. Долготные вариации параметров ионосферы и термосферы на широте

52.5° ILAT.

4.3.1.2. Долготные вариации параметров ионосферы и термосферы на широтах 50°S и 65°S.

4.3.2. Ночная ионосфера.

4.3.2.1. Долготные вариации параметров ионосферы и термосферы на широте

52.5° ILAT.

4.3.2.2. Долготные вариации параметров ионосферы и термосферы на широтах 50°S и 65°S.

4.4. Обсуждение.

4.5. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Структура глобального долготного эффекта во внешней ионосфере"

Предметом диссертационной работы являются долготные вариации параметров максимума слоя ¥2 ионосферы средних и субавроральных широт, морфология и причины.

Актуальность работы. Долготный эффект (ДЭ) является составной частью глобального распределения параметров ионосферы. ДЭ охватывает всю толщу верхней ионосферы, включая параметры максимума Р2-слоя ктР2 и ЫтР2, и наблюдается при всех гелио-геофизических условиях. Амплитуда ДЭ в ИтР2 в некоторых условиях может достигать порядка величины, что сравнимо с амплитудой суточных вариаций или вариаций во время сильной магнитной бури. Поэтому без знания ДЭ, как фонового состояния ионосферы, анализ глобальных вариаций в ионосфере по спутниковым данным невозможен. Однако для того, чтобы исследовать характер ДЭ и, понять его причины необходимо иметь полную информацию об изучаемом параметре - для всех долгот. Глобальная сеть наземных ионосферных станций не позволяет этого сделать, а единственным спутником, который дает полную информацию о параметрах слоя Р2, является Интеркосмос-19 (ИК-19). Поэтому долготные вариации ЫтР2 и ктР2 до сих пор недостаточно хорошо исследованы и некорректно отражены в моделях ионосферы. Основные причины ДЭ в ионосфере средних широт в принципе известны — нейтральный ветер, солнечное излучение, вариации состава и температуры атмосферы. Однако вклад этих факторов до сих пор точно не определен. Мало того, до сих пор идет оживленная дискуссия о причинах аномалии моря Уэдделла (\\^8А), обнаруженной еще в 1958 г. WSA проявляется в виде аномальных (обратных по знаку) суточных вариаций АЫР2 и в виде аномально сильных долготных вариаций №тР2 в летнем южном полушарии. Аналогичная аномалия наблюдается и в северном полушарии, на долготах Якутска и Магадана. Непрекращающаяся дискуссия по поводу \У8А свидетельствует о том, что качественные рассуждения не позволяют однозначно определить причины аномальных долготно/суточных вариаций. Необходимо переходить к количественному анализу на основе современных моделей ионосферы и термосферы. Анализ ДЭ был начат ранее в ИЗМИР АН на основе простых, но достаточно точных аналитических моделей ионосферы. В последнее время был создан большой банк данных спутника ИК-19, который позволяет исследовать ДЭ в полном масштабе - для всех широт северного и южного полушарий, всех часов местного времени и сезонов. Таким образом, актуальность работы определяют не изученность предмета исследований, и морфологии и причин; создание уникального банка данных спутника ИК-19, который позволяет решить задачу в полном объеме; и наличие разработанной в ИЗМИРАН методики расчетов долготных вариаций параметров ионосферы, которую можно использовать для анализа причин ДЭ.

Цель работы - исследование долготных вариаций параметров максимума слоя ¥2 (/оР2 и ктР2) в ионосфере средних и субавроральных широт. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. По данным внешнего зондирования на спутнике ИК-19 построить морфологическую картину ДЭ в /оП в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов.

2. По данным спутника ИК-19 построить морфологическую картину иТ-эффекта в /оР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов.

3. На основе количественных расчетов и качественного анализа установить причины ДЭ и иТ-контроля ионосферы средних широт. Для проведения численных расчетов провести сравнительный анализ существующих аналитических моделей дневной и ночной ионосферы.

4. Исследовать морфологию и причины аномалии моря Уэдцелла и Якутской аномалии.

Научная новизна работы определяется результатами, полученными впервые:

1. На основе уникального массива данных внешнего зондирования на спутнике ИК-19 построена полная картина ДЭ в /оЕ2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов в условиях высокой солнечной активности (1979-1981 г.). Детально исследованы характеристики этой картины, включая изменения характера и амплитуды ДЭ с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, наличие сильного географического и геомагнитного контроля ионосферы средних широт.

2. По тем же данным спутника ИК-19 построена полная картина иТ-эффекта в /оР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов. Исследованы ее характеристики, включая сезонные различия и асимметрию полушарий. Показано, что UT-контроль южного полушария носит более сложный характер, чем в простой модели «07иТ-эффекта».

3. Проведено дальнейшее развитие методики решения обратной задачи: на основе аналитических моделей дневной и ночной ионосферы, тщательно протестированных в работе, проведены расчеты скорости вертикального дрейфа плазмы W из долготных вариаций NmF2 и hmF2. Это позволило определить причины долготных вариаций NmF2 и hmF2 в дневной и ночной ионосфере средних и субавроральных широт, и сделать оценки вклада в ДЭ каждого из факторов: нейтрального ветра, солнечного излучения, состава и температуры термосферы. На основе качественного анализа, с учетом результатов, полученных при численных расчетах и с привлечением модели нейтрального ветра HWM, выявлены причины изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном, полушарием в геомагнитной и географической системах координат.

4. Выделены зоны аномальных долготно/суточных вариаций foF2 в летней ионосфере южного и северного полушарий. Детально исследованы характеристики и динамика развития аномалии моря Уэдцелла (WSA) в летнем южном полушарии, показано, что основные характеристики WSA подобны для условий высокой и низкой солнечной активности. На основе расчетов и качественного анализа определены причины формирования аномалии моря Уэдцелла и Якутской аномалии, получено, что главными из них являются нейтральный ветер и солнечное излучение.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы для: а) усовершенствования глобальной модели ионосферы, б) коррекции модели нейтрального горизонтального ветра HWM, в) более адекватного прогноза условия распространения радиоволн в ионосфере средних широт, г) дальнейших исследований аномального поведения ионосферы с целью более глубокого понимания процессов, происходящих в околоземном пространстве.

Достоверность полученных результатов обусловлена огромным массивом данных спутника ИК-19; сравнением их с данными наземного зондирования, а также с данными спутников Ariel-1 и 3, ESRO 1 и 4, CHAMP, DMSP, TOPEX/Poseidon и COSMIC/Formosat3; физической обоснованностью исходных уравнений и положений; тщательным сравнительным анализом использованных для расчетов аналитических моделей ионосферы.

На защиту выносятся:

1. Полная морфологическая картина ДЭ в foF2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов, построенная на основе большого массива данных спутника ИК-19 для высокой солнечной активности, и включающая изменения характера и амплитуды ДЭ с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, сильный географический и геомагнитный контроль ионосферы средних широт.

2. Полная морфологическая картина UT-эффекта в foF2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов мирового времени и всех сезонов, построенная по тем же данным спутника ИК-19 и включающая сезонные различия и асимметрию полушарий.

3. Результаты количественного и качественного анализа изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном и полушарием в географической и геомагнитной системах координат. Результаты численных расчетов ' вклада различных факторов в долготные вариации параметров максимума слоя F2 на основе протестированных в работе аналитических моделей дневной и ночной ионосферы.

4. Морфологическая картина и причины образования аномалии моря Уэдделла в южном полушарии и Якутской аномалии в северном полушарии в условиях местного лета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 33-м ежегодном Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений» (Апатиты, ПГИ КНЦ РАН, март 2010 г.), Международной научной конференции "Атмосфера, ионосфера, безопасность" (AIS-2010) (Калининград, РГУ им. И.Канта, июнь 2010), 38th COSPAR Scientific Assembly (Времен, Германия, июль 2010), International conference on Problems of Geocosmos (Санкт-Петербург, сентябрь 2010).

По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Карпачев O.A., Телегин В.А., Колесников Р.В. Анализ аномалий параметров ионосферы Земли по данным внешнего зондирования // Научно-технический сборник в/ч 45807-Р/1. - 2010. Вып.1(192). с.10-19.

Карпачев А. Т., Гасилов Н. А., Карпачев О. А. Причины долготных вариаций

ЫшР2 на средних и субавроральных широтах в летних ночных условиях // Геомагнетизм и аэрономия. Т.50. № 4. с.1-7. 2010.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 153 страницы печатного текста, 72 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 92 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Карпачев, Олег Александрович

4.5. Выводы

Исследованы морфология и причины образования аномалии моря Уэдделла и Якутской аномалии с помощью количественных расчетов и качественного анализа. Получено несколько важных результатов. Перечислим их.

1) По данным спутника ИК-19 для высокой солнечной активности (1979-1980 г.) впервые построено и проанализировано глобальное распределение foF2 для околополуденных и послеполуночных часов в южном летнем полушарии. Для сравнения построено аналогичное распределение foF2 по данным спутника CHAMP для минимума солнечной активности (2005-2006 г.). Сравнение данных спутников ИК-19 и CHAMP показывает, что основные характеристики WSA подобны для условий высокой и низкой солнечной активности. Исследована динамика развития WSA с местным временем по данным спутника ИК-19.

2) По данным спутника ИК-19 впервые выделена зона аномального поведения foF2 в летнем южном полушарии. Она занимает практически все долготы западного полушария, при этом максимальное превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 4-5 МГц на долготах 255-315° и широтах 50-55° ILAT. Зона аномалии намного больше моря Уэдделла и никак не связана с ним, поэтому более оправдано для нее название зона АСВК - зона аномальных суточных вариаций электронной концентрации.

3) По данным спутника ИК-19 впервые выделена зона аномального поведения foF2 в летнем северном полушарии. Она занимает меньшую, чем в южном полушарии, но довольно значительную область на долготах 80-220°Е и широтах 45-75°N. При этом максимальное превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 2-2.5 МГц на долготах 120-150° и широтах около 60°N (т.е. вблизи Магадана и Якутска).

4) WSA определяется низкими значениями foF2 в дневной ионосфере и более высокими значениями в ночной ионосфере на долготах западного полушария. Поэтому на основе глобального распределения электронной концентрации в летнем южном полушарии были исследованы долготные вариации параметров ионосферы и термосферы, что позволяет говорить о причинах АСВК. Эти причины по разному проявляются в геомагнитной и географической системах координат. а) В геомагнитной системе координат (на фиксированной широте 52.5° 1ЬАТ) ДЭ определяется изменениями с долготой уровня солнечной ионизации, скорости вертикального дрейфа плазмы, отношения [0]/[Нг] и температуры термосферы Т„. Вариации этих параметров устроены таким образом, что на долготах западного полушария они обеспечивают более высокие значения /оП ночью, чем днем. Наибольший вклад в ДЭ вносят солнечная ионизация и нейтральный ветер, определяющий вертикальный дрейф плазмы. б) В географической системе координат ситуация сложнее. Долготные вариации i/oF2 в дневной высокоширотной ионосфере в большей степени определяются высыпаниями частиц в области каспа и примыкающим к нему провалом ионизации, чем нейтральным ветром. В ночной высокоширотной ионосфере нейтральный ветер, безусловно, играет доминирующую роль в создании сильнейшего ДЭ с максимумом /оР2 на долготах аномалии. Но необходимо также учитывать и влияние главного ионосферного провала, а, следовательно, и механизмов, его создающих. в) Качественный анализ, проведенный для Якутской аномалии, полностью подтверждает выводы, сделанные при анализе причин WSA.

Итак, расчеты и основанный на них качественный анализ показывают, что главной причиной АСВК является нейтральный ветер. Эффект нейтрального ветра определяется долготными вариациями его скорости и зависимостью от склонения и наклонения геомагнитного поля. Что касается точной количественной оценки его вклада, то она станет возможной только с появлением более адекватной модели нейтрального ветра.

Привлечение других механизмов в роли главных причин аномалии, как например, потоков из плазмосферы, электрических полей, процессов в Южноатлантической аномалии и т.п. не представляется оправданным. Однако окончательный ответ на все вопросы, связанные с формированием аномалии можно будет получить только на основе дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение приведем наиболее важные результаты работы:

1. По данным спутника ИК-19 для высокой солнечной активности (1979-1981 г.) впервые построена полная морфологическая картина ДЭ в /ЪР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех часов местного времени и всех сезонов. Исследованы характеристики ДЭ, включая изменения его характера и амплитуды с местным временем и сезоном, асимметрию полушарий, сильный геомагнитный контроль ионосферы средних широт. Получено, в частности, что ДЭ сильнее ночью, чем днем, при этом в южном летнем полушарии амплитуда ДЭ в /оР2 достигает 6 МГц. В дневное время амплитуда ДЭ практически не изменяется с сезоном. Местной зимой наиболее сильный ДЭ наблюдается в поздние вечерние/дополуночные часы, так что в южном полушарии электронная концентрация изменяется с долготой на порядок величины, что сравнимо с суточными вариациями. Наблюдается сильная асимметрия полушарий — ДЭ сильнее в южном полушарии и может быть описан одной гармоникой, а в северном полушарии для этого требуется две гармоники.

2. Впервые получена полная картина иТ-эффекта в /оР2 в ионосфере средних широт северного и южного полушарий для всех сезонов и всех часов мирового времени. Во время местной зимы она определяется, в основном, суточными вариациями /оР2 большой амплитуды. В периоды равноденствий на суточные вариации /оР2 накладываются долготные, которые заметно искажают такую простую картину. В условиях местного лета амплитуда ДЭ в /оР2 сравнима с амплитудой суточных вариаций, которые к тому же имеют более сложный характер, чем зимой. В результате ЦТ-контроль летней ионосферы северного полушария слабый и нерегулярный, поскольку определяется суммой сложных по характеру суточных и долготных вариаций /оР2. ИТ-контроль летней ионосферы южного полушария обусловлен, в основном, сильными долготными вариациями/оР2.

3. На основе тщательно проанализированных и протестированных аналитических моделей ионосферы проведены расчеты скорости вертикального дрейфа плазмы Ж из долготных вариаций МтР2 и 1гтР2. Это позволило определить причины долготных вариаций ИтР2 и ИтР2 в дневной и ночной ионосфере, и сделать оценки вклада в ДЭ каждого из факторов. На основе полученных результатов и с привлечением модели нейтрального ветра Н\\/М93, выявлены причины изменений характера и амплитуды ДЭ с местным временем, сезоном и полушарием в геомагнитной и географической системах координат. В геомагнитной системе координат днем основной вклад в ДЭ вносят нейтральный ветер и солнечное излучение в примерном соотношении 80:20. В неосвещенной дополуночной ионосфере вариации foF2 определяются остаточной концентрацией электронов и ее распадом под действием рекомбинации, вклад нейтрального (зонального) ветра несколько меньше. В летнем южном полушарии к эффекту ветра даже в полночь добавляется сильное влияние солнечной ионизации, в результате здесь наблюдается самая большая амплитуда ДЭ в foF2 (6 МГц). После полуночи основной вклад в ДЭ вносит меридиональный ветер. Вклад состава и температуры термосферы в ДЭ обычно не превышает нескольких процентов. В географической системе координат эффект меридионального ветра обусловлен, главным образом, вариациями sin2I, а зонального ветра - вариациями sinDsin27, т.е. параметрами геомагнитного поля. Однако геомагнитный контроль средних географических широт в еще большей степени может быть связан с влиянием ГИП и ЭА, так например, в летнем южном полушарии поведение foF2 полностью определяется их влиянием.

4. Выделены зоны аномальных долготно/суточных вариаций foF2 в летней ионосфере южного и северного полушарий. Исследованы характеристики и динамика развития аномалии моря Уэдделла в южном полушарии. Она занимает все долготы западного полушария, при этом превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 4-5 МГц на долготах 255-315° и широтах 50-55° ILAT. В северном полушарии аномалия занимает меньшую, чем в южном, но довольно значительную область на долготах 80-220°Е и широтах 45-75°N. При этом превышение ночных значений foF2 над дневными достигает 2-2.5 МГц вблизи Магадана и Якутска. На основе расчетов и качественного анализа рассмотрены все возможные причины формирования аномалии моря Уэдделла и Якутской аномалии, показано, что главными из них являются нейтральный ветер и солнечное излучение. Со стороны высоких широт аномалия ограничена ГИП.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Карпачев, Олег Александрович, Троицк

1. Бадин В. И. Аналитические зависимости концентрации электронов и высоты максимума дневного слоя F2 от скорости дрейфа плазмы и других агрономических параметров // Геомагнетизм и аэрономия, т.29. № 5. с.795. 1989.

2. Бенъкова Н.П., Деминов М.Г., Калифарска H.A. Аналитическая модель ночной среднеширотной Р2-области / Препринт ИЗМИР АН. № 17(631). 14 с. 1986.

3. Беспрозванная A.C., Макарова JI.H. UT-контроль конфигурации главного ионосферного провала//Геомагнетизм и аэрономия. Т.24. № 1. с. 145. 1984.

4. Беспрозванная А. С. Долготная аномалия полуденной ионизации слоя F2 // Труды ААНИИ. т.280. с. 100. 1966.

5. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе A.A. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 442 С.

6. Данилов А.Д., Зикрач Э.К., Филиппов Л.Д Вечерняя аномалия слоя F2 ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, т.43. № 5. с.654. 2003.

7. Деминов М.Г., Козлов Е.Ф., Ситное Ю.С. Распределение ионов кислорода над геомагнитным экватором // Исследования по проблемам солнечно-земной физики. М.: ИЗМИР АН. с.22. 1977.

8. Деминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в конфигурации главного ионосферного провала. I. Положение провала // Геомагнетизм и аэрономия, т.26. № 1. с.63. 1986а.

9. Деминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в конфигурации главного ионосферного провала. II. Форма провала // Геомагнетизм и аэрономия, т.26. №4. с.682. 19866.

10. Деминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в ночной среднеширотной ионосфере по данным ИСЗ "Интеркосмос-19" // Геомагнетизм и аэрономия, т.28. № l.c.76. 1988.

11. Деминов М.Г., Карпачев А.Т., Афонин В.В., Аннакулиев С.К. Динамика среднеширотного провала в период магнитной бури. Главная фаза // Геомагнетизм и аэрономия, т.35. № 6. с.69. 1995.

12. Деминова Г.Ф. Волнообразная структура долготных изменений ночной экваториальной аномалии // Геомагнетизм и аэрономия, т.35. № 4. с. 169. 1995.

13. Иванов-Холодный Г.С., Михайлов A.B. Прогнозирование состояния ионосферы. Ленинград.: Гидрометеоиздат. 190 с. 1980.

14. Калифарска H.A. Долготный контроль Р2-области ионосферы средних широт / Диссертация. ИЗМИР АН. с. 149. 1986.

15. Карпачев А.Т. Глобальный долготный эффект в ночной внешней ионосфере по данным ИСЗ «Интеркосмос-19» / Препринт ИЗМИР АН. № 45(734). 28 с. 1987.

16. Карпачев А.Т. Механизмы долготного эффекта в ночной экваториальной аномалии электронной концентрации во внешней ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия, т.28. № 4. с.620. 1988.

17. Карпачев А.Т. Глобальные вариации foF2 в области ночного провала // Геомагнетизм и аэрономия, т.32. № 5. с.94. 1992.

18. Карпачев А.Т. Распределение электронной концентрации во внешней ионосфере высоких широт южного полушария для ночных летних условий // Геомагнетизм и аэрономия, т.35. № 6. с.82. 1995.

19. Карпачев А. Т. Распределение электронной концентрации вблизи максимума слоя F2 в северном полушарии для ночных летних условий // Геомагнетизм и аэрономия, т.36. № 3. с.86. 1996.

20. Карпачев А.Т., Гасилов H.A. Вариации вертикального дрейфа плазмы с долготой в среднеширотной ночной летней ионосфере, рассчитанные по данным измерений hmF2 II Геомагнетизм и аэрономия, т.38. № 5. с.89. 1998.

21. Карпачев А.Т. Зависимость формы ГИП от долготы, высоты, сезона, местного времени, солнечной и магнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия, т.43. № 2. с.256. 2003.

22. Карпов И.В., Кореньков Ю.Н., Наумова Н.М. Анализ долготных вариаций горизонтальных компонент ветра, полученных по эмпирической модели термосферы // Геомагнетизм и аэрономия, т.35. №3. с.94. 1995.

23. Кессених В.Н., Булатов Н.Д. Континентальный эффект в географическом распределении электронной плотности F2 слоя // Доклады АН СССР. т.45. с.250. 1944.

24. Клевцур C.B., Латышев КС., Фаткулин М.Н. Долготные эффекты в теоретических нестационарных многомерных моделях в области F (средние широты) / Препринт № 21 (906) М.: ИЗМИР АН. 30 с. 1989.

25. Коченова Н. А. Долготные вариации А^-профилей на магнитном экваторе // Геомагнетизм и аэрономия, т.28. № 1. с. 144. 1988.

26. Коченова Н.А., Шубин В.Н. Долготные изменения в летней ионосфере южного полушария // Геомагнетизм и аэрономия, т.35. № 2. с. 155. 1995.

27. Кринберг И.А., Тащилин А. В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука. 129 с. 1984.

28. Мамруков А.П. Вечернее аномальное повышение ионизации в области F // Геомагнетизм и аэрономия, т.21. № 6. с.984. 1971.

29. Пирог О.М., Полех Н.М., Чистякова JJ.B. Долготные вариации критических частот Р2-слоя в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия, т.40. № 2. с. 108. 2000.

30. Ситное Ю.С., Шубин В.Н., Аннакулиев С.К. Аппроксимация электронной концентрации и высоты максимума слоя F2 области дневной среднеширотной ионосферы простыми аналитическими формулами // Геомагнетизм и аэрономия. т.32. № 4. с.128. 1992.

31. Хачикян Г.Я., Рудина М.П. Долготные эффекты в распределении критических частот слоя F2 и средних полей метеоэлементов нижней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия, т. 19. №2. с.232. 1979.

32. Ahn В.-Н., Emery В.А., Kroehl Н. W., and Kamide Y. Climatological characteristics of the auroral ionosphere in terms of electric field and ionospheric conductance // J. Geophys. Res. v.104. № 5. p.10031. 1999.

33. Bellchamber W.H. and Piggott W.R. Ionospheric measurements made at Halley Bay // Nature, v.182. p.1596. 1958.

34. Bilitza D. and Reinisch B. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters I I Adv. Space Res. v.42, № 4. p.599. 2008.

35. Buonsanto M.J., Salah J.E., Miller K.L., et al. Observations of neutral circulation at mid-latitudes during the equinox transition study // J. Geophys. Res. v.94. № 12. 1989.

36. Bums A., Solomon S., Wang W., Richmond A., Jee G., Lin C., Rocken C., Kuo B. Can the Weddell Sea anomaly and related phenomena be explained by conjugate effects? GNSS Radio Occultation Workshop. Pasadena. California. April 2009.

37. Challinor R.A. and Eccles D. Longitudinal variations of the mid-latitude ionosphere produced by neutral air winds //J. Atmos. Terr. Phys. v.33. p.363. 1971.

38. Clilverd M.A., Smith A.J. and Thomson N.R. The annual variation in quiet time plasmaspheric electron density, determined from whistler mode group delays // Planet. Space Sci. v.39. p. 1059. 1991.

39. Drob D.P., Emmert J.T., Crowley G. et al. An empirical model of the Earth's horizontal wind fields: HWM07 // J. Geophys. Res. v.113. A12304, doi: 10.1029/2008JA013668. 2008.

40. Dudeney J.R. and Piggott W.R. Antarctic ionospheric research, in Upper Atmosphere Research in Antarctica // Antarct. Res. Ser. v.29. p.200. 1978.

41. Duncan R.A. Universal-time control of the Arctic and Antarctic region // J. Geophys. Res. v.67. № 5. p. 1823. 1962.

42. Dungey J. W. Interplanetary magnetic field and the auroral zones // Phys. Rev. Lett. v.6. p.47. 1961.

43. Eccles D., King J. W, and Rothwell P. Longitudinal variations of the mid-latitude ionosphere produced by neutral air winds II. J. Atmos. Terr. Phys. v.33. p.371. 1971.

44. Eccles D., King J. W, and Slater A.J. ISIS-1 satellite observations of the ionosphere at high latitudes // J. Atmos. Terr. Phys. v.35. p.625. 1973.

45. Evans J. V. A study of F2 region night-time vertical ionization fluxes at Millstone Hill // Planet. Space Sci. v.23. № 12. p. 1611. 1975.

46. Eyfrig R. W. The effect of the magnetic declination on the F2-layer // Ann. Geophys. v.19. p.102. 1963.

47. Gasda S., Richmond A.D. Longitudinal and interhemispheric variations of auroral ionospheric electrodynamics in a realistic geomagnetic field 11 J. Geophys. Res. v. 103. № 3. p.4011. 1998.

48. He M., Liu L., Wan W„ Ning B„ Zhao B., Wen J., Yue X. and Le H. A study of the Weddell Sea Anomaly observed by FORMOSAT-3/COSMIC // J. Geophys. Res. v. 114. A12309. doi: 10.1029/2009JA014175. 2009.

49. Hedin A.E., and Reber C.A. Longitudinal variations of the thermospheric composition indicating magnetic control of polar heat input // J. Geophys. Res. v.77. p.2871. 1972.

50. Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model // J. Gephys. Res. v.92. № 5. p.4649. 1987.

51. Hedin A.E., Biondi M.A., Burnside R.G. et.al. Revised global model of thermospheric winds using satellite and ground-based observations // J. Geophys. Res. v.96. № 5. p.7657. 1991.

52. Hernandez G., and Roble R.G. The geomagnetic quiet nighttime thermospheric wind pattern over Fritz Peak observatory during solar cycle minimum and maximum // J. Geophys. Res. v.89. № 1. p.327. 1984.

53. Hopkins H.D., D'Arcy R.J and Sayers J. UT-control of the topside polar ionosphere // Planet. Space Sci. v.21. p. 1459. 1973.

54. Horvath I. and Essex E. A. The Weddell Sea Anomaly observed with the TOPEX satellite data // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. v. 65. p.693. doi:10.1016/S1364-6826(03)00083-X. 2003.

55. Horvath I A total electron content space weather study of the nighttime Weddell Sea Anomaly of 1996/1997 southern summer with TOPEX/Poseidon radar altimetry // J. Geophys. Res. v.l 11. A12317. doi:10.1029/2006JA011679. 2006.

56. Jee G., Burns A.G., Kim Y.H and Wang W. Seasonal and solar activity variations of the Weddell Sea Anomaly observed in the TOPEX total electron content measurements // J. Geophys. Res. v.l 14. A04307. doi:10.1029/2008JA013801. 2009.

57. Karpachev A.T., Deminov M.G. andAfonin V.V. Model of the mid-latitude ionospheric trough on the base of Cosmos-900 and Intercosmos-19 satellites data // Adv. Space Res. v.l8. № 6. p.221. 1996.

58. Karpachev A.T., Deminov M.G. and Afonin V.V Two branches of day-time winter ionospheric trough according to Cosmos-900 data at F2-layer heights // Adv. Space Res. v.22. № 6. p.877. 1998.

59. Karpachev A.T., and Gasilov N.A. Zonal and meridional wind components derived from Intercosmos-19 hmFl measurements // Adv. Space Res. v.27. № 6-7. p. 1245. 2001.

60. Karpachev A.T., and Gasilov N.A. Causes of longitude-latitudinal variations in the ionospheric F2-layer maximum in summer nighttime conditions // Intern. J. Geomagetism and Aeronomy. v.6. GI2006. doi:10.1029/2005GI000112. 2006.

61. Kazimirovsky E.S., and Kokourov V.D. Meteorology effects in ionosphere (a survey) // Geomagnetism and aeronomy. 35. № 3. p.3. 1995.

62. Kohnlein IV., and Raitt W.J. Position of the mid-latitude trough in the topside ionosphere as deduced from ESRO-4 obsevations // Planet. Space Sci. v.25. № 5/6. P.600. 1977.

63. Kohnlein W. and Raitt W.J. ESRO-1 and ESRO-4: a model of the U.T. effect in electron density at middle latitudes of the southern hemisphere // Planet. Space. Sci., v.26. № 12. p.1179. 1978.

64. Miller K.L., Torr D.G., and Richards P.G. Meridional winds in the thermosphere derived from measurement of F2 layer height // J. Geophys.Res. v.91. p.4531. 1986.

65. Miller K.L., Lemon M., and Richards P.G. A meridional wind climatology from a fast model for the derivation of meridional winds from the height of the ionospheric F2 region // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. v.59. № 14. p.1805. 1997.

66. Meng, C.I. Diurnal variations of the auroral oval size // J. Geophys. Res. v.84. p.5319. 1979.

67. Moffeti R.J. The equatorial anomaly in the Ne distribution of the F-region // Fund. Cosmic. Phys. v.4. p.313. 1979.

68. Moffett, R. J. and Quegan S. The mid-latitude trough in the electron concentration of the ionospheric F layer: A review of observations and modeling // J. Atmos. Terr. Phys. v.45. p.315. doi: 10.1016/S0021 -9169(83)80038-5. 1983.

69. Onwumechili C.A., and Agu C.E. Longitudinal variations of equatorial eleetrojet parameters derieved from POGO satellite observations // Planet. Space Sci. v.43. № 6. p.627. 1981.

70. Pancheva D. V. Electric field effect on longitudinal variations of F night region // Docl. Bulgar AN. v.39.p.65. 1986.

71. Pavlov A. V. and Pavlova N.M. Anomalous nighttime peaks in diurnal variations of NmFl close to the geomagnetic equator: A statistical study // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. v.69. p.1871. doi: 10.1016/j.jastp.2007. 07.003. 2007.

72. Penndorf R. The average ionospheric conditions over the Antarctic in Geomagnetism and Aeronomy // Antarctic Research Series, v.4. p.l. 1965.

73. Rajaram G. Structure of the equatorial F-region, topside and bottomside — a review // J. Atmos. Terr. Phys. v.39. p.l 125. 1977.

74. Rastogi R.G. and Sanatini S. Longitudinal effect in the equatorial F2 region of the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. v.25. p.739. 1963.

75. Rishbeth H. The effect of winds on the ionospheric /^2-peak // J. Atmos. Terr. Phys. v.29. № 1. p.225. 1967.

76. Rishbeth H. Thermospheric winds and the F-region: A review // J. Atmos. Terr. Phys. v.34. № l.P.l. 1972.

77. Rishbeth H., Ganguly S., and Walker J.C. Field-aligned and field-perpendicular velocities in the ionospheric F2-layer // J. Atmos. Terr. Phys. v.40. № 7. p.767. 1978.

78. Sojka J.J., Raitt W.J. and Schunk R. W. Observations of the diurnal dependence of the high-latitude F-region ion density by DMSP satellites // J. Geophys. Res. v.87. № 8. p.6908. 1982.

79. Takeda M. and Yamada Y. Simulation of ionospheric electric fields and geomagnetic field variation by the ionospheric dynamo for different solar activity // Ann. Geophys. v.5. №6. p.429. 1987.

80. Titheridge J.E. Winds in the ionosphere a review // J. Atm. Terr. Phys. v.57. № 14. p.1681. 1995.

81. Tulunay Y. Global electron density distributions from the Ariel 3 satellite at mid-latitudes during quiet magnetic periods // J. Atmos. Terr. Phys. v.35. № 2. p.233. 1973.

82. Walker G.F. Longitudinal structure of the F-region equatorial anomaly a review // J. Atmos. Terr. Phys. v.43. p.765. 1981.