Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Вариации F-рассеяния в ионосфере средних широт и их связь с солнечной и геомагнитной активностью

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Вариации F-рассеяния в ионосфере средних широт и их связь с солнечной и геомагнитной активностью"

На правах рукописи

Непомнящая Елена Валериевна

ВАРИАЦИИ Г-РАССЕЯНИЯ В ИОНОСФЕРЕ СРЕДНИХ ШИРОТ И ИХ СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

25.00.29,- Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк - 2007

003160559

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы я распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН, г. Троицк, Московская обл.)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,, профессор ИВАНОВ-ХОЛОДНЫЙ Гор Семенович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор КАЛИНИН Юрий Кириллович

Защита диссертации состоится «30» октября 2007 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 002,237.01 при Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАИ по -адресу: 142190 г. Троицк, Московская обл., ИЗМИР АН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН

Автореферат разослан « 28 » сентября 2007 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002,237.01

доктор физико-математических наук РУЖИН Юрий Яковлевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное научное учреждение «Научно-исследовательский радиофизический институт» Федерального агентства по науке и инновациям (ФГТГУ НИРФИ Росшуки, г. Нижний Новгород)

доктор физ -мат. наук

Михайлов Ю М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предметом диссертационной работы является среднеширотное F-рассеяние, различные его вариации и их связь с солнечной и геомагнитной активностями

Актуальность работы Впервые явление F-рассеяния было обнаружено и определено как наличие размытых, диффузных отражений на ионограммах вертикального зондирования при отражении от области F2 ионосферы более 60 лет назад (Booker and Wells, 1938) Поскольку при F-рассеянии на ионограммах трудно, а подчас и невозможно точно определить критические частоты и высоты отражений, это явление какое-то время считалось помехой, уменьшающей количество полезной информации Но по мере развития знаний об ионосфере было установлено, что F-рассеяние обусловлено неоднородностями концентрации электронов и, тем самым, является источником информации о неоднородной структуре ионосферы В настоящее время интерес к изучению этого явления обусловлен несколькими обстоятельствами Задача изучения неоднородностей, связанных с F-рассеянием, является составной частью одной из фундаментальных проблем физики ионосферной плазмы - исследования полного спектра (от см до тысяч км) неоднородной структуры ионосферы При обеспечении устойчивой работы линий связи и других радиотехнических систем KB -УКВ диапазона, в которых предъявляются особые требования к надежности выделения сигнала на фоне помех в различных гелио- и геофизических условиях, возникает необходимость более точного прогнозирования условий распространения радиоволн, основанного на моделях ионосферы, учитывающих ее тонкую структуру Создание и совершенствование моделей ионосферы такого типа продолжается, однако моделей, удовлетворяющих всем требованиям прикладного

характера, до сих пор нет Возросшее в последние десятилетия техногенное воздействие на высотах Р-слоя ионосферы заставило обратить особое внимание на проблему экологии В данном аспекте Р-рассеяние можно использовать в качестве индикатора возмущенности ионосферы при мониторинге ее состояния.

Несмотря на большой объем знаний об Р-рассеянии, накопленный за последние десятилетия, далеко не все закономерности изменения Р-рассеянии надежно установлены и, тем более, изучены Это относится и к среднеширотному Р-рассеянию Известно, что среднеширотное Р-рассеяние - преимущественно ночное явление и в это время суток вероятность появления Р-рассеяния максимальна зимой при низком урЬвне солнечной активности Однако многие детали вероятности появления Р-рассеяния в ночные, утренние и вечерние часы не были надежно установлены, например, зависимость характера годовых изменений этой вероятности от уровней солнечной и геомагнитной активности и особенности ее квазидвухлетних вариаций

Цель работы - анализ закономерностей вероятности появления среднеширотного Р-рассеяния в ночные и восходно-заходные часы, выделение на этой основе не установленных ранее закономерностей и их интерпретация

Поставленная цель потребовала решения следующих задач 1. Создать базу данных вероятности появления Р-рассеяния (Р) на основе обработки ионограмм вертикального зондирования ионосферы ст Москва (55,5 N. 37,3 Е), полученных через каждые 15 минут во все часы суток за 1975-1985 годы, для анализа

2 Используя эту базу данных, выполнить исследование закомерностей изменения Р а) выявить для всех сезонов особенности зависимости Р от местного времени в минимуме и максимуме

солнечного цикла, б) выявить закономерности и связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы, в) определить особенности изменения характера годовых изменений Р при переходе от низкой к высокой солнечной активности и оценить вклад геомагнитной активности в эти изменения, г) выявить квазидвухлетние вариации Р и определить связь этих вариаций с уровнями солнечной и геомагнитной активности

3 Дать интерпретацию установленных закономерностей

Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые.

1 Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности ^-рассеяния Р от уровня солнечной активности с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам

2 Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия

3. Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем

4 Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности

5 Дана качественная интерпретация полученных закономерностей Обосновано, в частности, что равноденственные максимумы Р в ночные часы при высокой солнечной активности связаны с соответствующими максимумами частоты возникновения суббурь как источников генерации внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере авроральной области и с уменьшением затухания распространяющихся к низким широтам ВГВ при переходе к высокой солнечной активности, в основном, из-за уменьшения коэффициента молекулярной вязкости и теплопроводности.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы: а) для прогноза условий распространения радиоволн в среднеширотной ионосфере, б) при проектировании различных радиотехнических систем КВ-УКВ диапазонов, в) в дальнейших исследованиях механизмов генерации неоднородностей в ионосферной плазме

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, повторяемостью полученных результатов для близких, но разнесенных по времени гелиогеофизических условий, физической обоснованностью известных исходных уравнений и положений, использованных при интерпретации установленных закономерностей

На защиту выносятся 1 Установленные закономерности вероятности появления среднеширотного Р-рассеяния Р

- зависимость времени достижения ночного максимума Р от уровня солнечной активности,

- зависимость относительного вклада годовой и полугодовой

компонент в сезонные изменения Р в ночные часы от уровня солнечной активности и зависимость вклада геомагнитной активности в эти изменения от уровня солнечной активности, - связь утреннего и вечернего максимумов Р от условий освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы

2 Выявленные связи квазидвухлетних вариаций Р с уровнями солнечной и геомагнитной активности

3 Результаты интерпретации установленных закономерностей

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на объединенном общеинститутском семинаре ИЗМИР АН по Физике Солнца, VI Всесоюзном совещании по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1986 г), Межведомственном семинаре "Результаты комплексных исследований по данным измерений ИСЗ ИК-19" (Калуга, 1988 г), VIII совещании-семинаре "Неоднородная структура ионосферы" (ННовгород, 1991 г), конференции по «Солнечно-земной физике» (Иркутск 2004 г) Работа выполнялась в рамках НИР ИЗМИР АН и грантов РФФИ 98-02-16189, 01-02-16307, 04-02-16374

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ

Личный вклад автора состоит в создании базы данных вероятности F-рассеяния, обработке этих данных, совместном анализе и интерпретации полученных результатов

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 152 страницы печатного текста, 38 рисунков, 3 таблицы Список цитируемой литературы содержит 111 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов Кратко изложено содержание работы

В первой главе дан краткий обзор известных из литературных источников результатов некоторых основных моментов анализа характеристик Р-рассеяния в ионосфере средних широт и приведено сравнение результатов выполненных нами исследований с результатами работ других авторов. Последовательно приведены определения характеристик Р-рассеяния и некоторых сопутствующих особенностей изменения ионосферы, таких как наклонные слои на ионограммах ионосферных станций (пп 1.1) Изложены сведения о природе образования среднеширотного Р-рассеяния и механизмах образования Р-рассеяния на ионограммах вертикального зондирования (1.2). Представлено обсуждение закономерностей Р-рассеяния в течение суток при различных гелиогеофизических условиях (13), а также квазидвухлетних вариаций критической частоты Р2-слоя и характеристик Р-рассеяния (1.4)

Во второй главе представлены результаты анализа зависимости вероятности появления ночного среднеширотного Р-рассеяния Р от гелиогеофизических условий и интерпретации этих закономерностей Исходными данными для анализа были ионограммы вертикального зондирования ст. Москва, полученные через каждые 15 минут в течение всех часов суток за 1975-1985 гг В пп 2.1 описана методика

определения вероятности появления Б-рассеяния Р и представлены основные закономерности изменения вероятности появления ночного Б-рассеяния с сезоном и уровнями солнечной и геомагнитной активности Далее приведена интерпретация полученных результатов (2 2) В заключительной части главы (2 3) суммированы основные выводы, которые сводятся к следующему.

1 Увеличение солнечной активности во все сезоны приводит к смещению максимума Р к утренним часам При переходе от низкой к высокой солнечной активности величина этого смещения составляет 2-3 часа: при низкой солнечной активности максимум Р фиксируется в околополуночные часы, при высокой солнечной активности -вблизи 02-03 ЬТ

Относительный вклад годовой и полугодовой компонент в годовые изменения Р существенно зависит от уровня солнечной активности При низкой солнечной активности годовая компонента этих изменений с максимум Р зимой и минимумом летом является основной При переходе от низкой к высокой солнечной активности относительный вклад полугодовой компоненты возрастает и при высокой солнечной активности отчетливо фиксируются три максимума Р в середине зимы, весны и осени

Вклад геомагнитной активности в годовые изменения Р также зависит от солнечной активности При высокой солнечной активности амплитуда полугодовой компоненты изменений Р увеличивается с ростом геомагнитной активности, и исключение из рассмотрения магнитовозмущенных дней приводит к отчетливому уменьшению амплитуды этой компоненты изменений Р. При низкой солнечной активности Р почти не зависит от геомагнитной активности Вклад солнечной и геомагнитной активностей в среднегодовые значения вероятности появления Р-рассеяния Р^ зависит от местного времени Увеличение солнечной активности приводит к уменьшению

Руг и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива и значима в предполуночные часы. Увеличение геомагнитной активности приводит к увеличению Ру, и, при прочих равных условиях, эта зависимость отчетлива и значима в послеполуночные. В целом вклад солнечной активности в Р^ более важен, чем вклад геомагнитной активности.

2. Проведен анализ зависимости от гелиогеофизических условий градиентной неустойчивости ионосферной плазмы у на высотах Р2 области ионосферы, приводящей к усилению сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля мелкомасштабных (с характерным поперечным масштабом около 200-400 м) ионосферных неоднородностей как одной из причин Р-рассеяния Установлено, что-При прочих равных условиях инкремент градиентной неустойчивости у максимален непосредственно ниже максимума Р2-слоя, поэтому связанное с этой неустойчивостью Р-рассеяние является рассеянием по частоте, а не диапазонным Р-рассеянием

Интервал местного времени, внутри которого возможна градиентная неустойчивость (т е выполнение условия у < 0), ограничен и существенно зависит от солнечной активности Независимо от сезона при низкой солнечной активности он центрирован вблизи полуночи, при высокой солнечной активности - вблизи 02-03 ЬТ Максимальные значения у уменьшаются с ростом солнечной активности и существенно зависят от сезона Они максимальны зимой и минимальны летом, т е годовая компонента изменений у является преобладающей Тем не менее, полугодовая компонента изменений у также существенна, особенно при высокой солнечной активности Максимальные значения у зависят от концентрации электронов через процессы диффузии (расплывания) мелкомасштабных ионосферных неоднородностей Увеличение Ие приводит к уменьшению у и эта зависимость особенно существенна при высокой

солнечной активности

3 Дана интерпретация известной закономерности — существования определенного порогового значения концентрации максимума Р2-слоя МшР2, ниже которого вероятность Р-рассеяния может превышать заданное значение этой вероятности Р-рассеяния Показано, что приведенная в п 2 зависимость у от на высоте максимума у и тесная связь Ые на этой высоте с ИшР2 позволяют объяснить эту закономерность Получено не только качественное, но и количественное соответствие теории с результатами наблюдений Тем самым, по крайней мере, косвенно обоснована важная роль градиентной неустойчивости в формировании Р-рассеяния

4 Установлена цепочка процессов, которая обеспечивает зависимость вероятности появления среднеширотного Р-рассеяния от геомагнитной активности увеличение интенсивности авроральных электроструй во время магнитосферной суббури, джоулев нагрев термосферы этими струями, генерация импульса крупномасштабной ВГВ в результате этого нагрева, распространение данного импульса к низким широтам, прохождение этого импульса над данной среднеширотной станцией и подъем Р2-слоя, связанное с таким подъемом увеличение высоты максимума инкремента градиентной неустойчивости Ь(утах) и увеличение у^ из-за подъема Ь(утах), увеличение интенсивности Р-рассеяния из-за увеличения у^ Эффективность этой цепочки процессов увеличивается с ростом солнечной активности из-за уменьшения затухания крупномасштабных ВГВ на пути движения от источника (авроральных электроструй) до данной станции При высокой солнечной активности она максимальна в послеполуночные часы, т е вблизи максимума фонового значения инкремента градиентной неустойчивости

5 Дана качественная интерпретация установленных закономерностей вероятности появления Р-рассеяния Р (они приведены выше в п 1) Существование в ночные часы максимума вероятности появления Р-рассеяния Р связано с совместным действием относительно мелкомасштабных ВГВ и градиентной неустойчивости ионосферной плазмы Местное время возникновения этого максимума определяется, в основном, интервалом времени существования градиентной неустойчивости, а амплитуда максимума — совместным действием ВГВ и градиентной неустойчивости При переходе от низкой к высокой солнечной активности интервал времени, внутри которого возможна градиентная неустойчивость, смещается к утренним часам, поэтому максимум Р ведет себя аналогично при низкой солнечной активности он наблюдается в околополуночные часы, при высокой - вблизи 02-03 ЬТ.

Зависимость эффективности приведенной в п 4 цепочки процессов от солнечной активности и преобладание полугодовой компоненты геомагнитной активности в годовых изменениях этой активности приводят к тому, что при низкой солнечной активности наблюдаемый характер годовых изменений Р почти не зависит от геомагнитной активности При высокой солнечной активности наблюдается отчетливая и значимая зависимость амплитуды полугодовой компоненты Р от геомагнитной активности.

В третьей главе рассматривается интервал времени от вечерних до утренних часов, внутри которого Р-рассеяние наблюдается относительно часто Представлены результаты количественного анализа связи границ этого интервала с моментами восхода и захода Солнца над данным или магнитосопряженным пунктами и, кроме того, результаты анализа связи дополнительных утреннего и вечернего максимумов Р с восходно-заходными периодами В пп. 3 1

приведены основные закономерности изменения Р в восходно-заходные периоды, полученные по данным ст Москва для каждого месяца года периодов низкой (1975, 1976, 1985 гг) и высокой (19791981 гг.) солнечной активности Предварительно обоснованы количественные критерии для определения связи границ интервала наблюдения Р-рассеяния с восходно-заходными периодами и рассмотрены общие свойства суточных изменений Р Далее последовательно представлены закономерности локализации: а) утреннего и вечернего максимумов Р, б) границ наблюдения Р-рассеяния при низкой и высокой солнечной активности, в) границ наблюдения Р-рассеяния для магнитоспокойных условий В пп. 3 2 приведена качественная интерпретация установленных закономерностей, в том числе, на основе сопоставления суточных изменений Р и инкремента градиентно-дрейфовой неустойчивости Основные из установленных закономерностей и результатов интерпретации этих закономерностей суммированы в выводах к данной главе (3 3), а именно

Дополнительные утренний и вечерний максимумы Р наблюдаются только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем На основе качественного анализа получено, что эти максимумы связаны с нагревом ионосферы фотоэлектронами из сопряженного полушария При низкой солнечной активности вечерняя и утренняя границы интервала достаточно частого наблюдения Р-рассеяния во все месяцы года почти совпадают с моментами захода и восхода Солнца над данным пунктом, те локальные процессы генерации Р-рассеяния являются основными причинами формирования этих границ При высокой солнечной активности во все месяцы года вечерняя граница интервала наблюдения Р-рассеяния расположена вблизи границы полной тени, когда ионосфера над данным и

магнитосопряженным пунктами перестает освещаться Солнцем Тем самым установлено, что при переходе от низкой к высокой солнечной активности наиболее существенные изменения этой границы происходят зимой На основе качественного анализа и результатов расчета инкремента градиентно-дрейфовой неустойчивости получено, что эта закономерность связана с особенностями изменения электронной концентрации Р2-слоя зимой в вечерние часы при различных уровнях солнечной активности

При высокой солнечной активности летом и в равноденствия утренняя граница интервала наблюдения Р-рассеяния смещается в освещенную ионосферу, т е наблюдается после восхода Солнца над данным пунктом Такое смещение максимально в равноденствия и отсутствует зимой На основе качественного анализа получено, что эта закономерность связана с внутренними гравитационными волнами (ВГВ) термосферы, которые генерируются в авроральной области в периоды магнитосферных суббурь с зависимостью частоты суббурь от сезона и зависимостью эффективности ВГВ от сезона и солнечной активности

В четвертой главе анализируются данные непосредственных наблюдений критической частоты слоя ¥2 ионосферы и вероятности появления Р-рассеяния на предмет выявления квазидвухлетних вариаций и их связи с гелиогеофизическими характеристиками В пп 4 1 исследуются вариации критической частоты слоя Р2 Описана методика выделения квазидвухлетних вариаций, анализируются изменения параметров квазидвухлетних вариаций критической частоты слоя Р2 в одиннадцатилетнем цикле и их зависимость от солнечной и геомагнитной активностей В пп 4 2 рассмотрены квазидвухлетние вариации вероятности появления Р-рассеяния по данным ст Москва за 1975-1985 гг, анализируемым в главах 2 и 3 и

их зависимость от солнечной и геомагнитной активностей Выводы суммированы в пп 4 3

С помощью фильтрации впервые выявлены квазидвухлетние вариации (КДВ) критической частоты /оР2 и показано, что они выделяются также надежно, как и КДВ дециметрового излучения Солнца Рю7 На основе анализа ежедневных величин потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10,7 см С^ю 7) Для трех солнечных циклов, а также околополуденных измерений критической частоты /оР2 слоя Р2 на ст Москва в интервале 1960-1995 гг показано, что КДВ /оР2 изменяются почти синхронно с КДВ Ици, а амплитуда КДВ /оР2 уменьшается приблизительно в два раза при переходе от дневных к нрчным условиям

Зависимость КДВ критической частоты А/ от КДВ дециметрового излучения Солнца АР является основной и, безусловно, значимой Эта зависимость в конечном итоге обусловлена еще более отчетливой зависимостью среднегодовых значений /оР2 от среднегодовых значений Р\й1 через процессы ионизации и нагрева термосферы Зависимость Д/~ от Д/7 почти не зависит от широты Поэтому для анализа зависимости А/ от АР в этом интервале широт достаточно использовать данные одной ионосферной станции Зависимость А/ от КДВ индекса геомагнитной активности ААр не значима, что связано с относительно низкими среднегодовыми значениями Ар-индекса геомагнитной активности Тем не менее, наблюдается отчетливая тенденция к изменению характера этой зависимости с широтой - на относительно высоких широтах антикорреляция между А/ и ААр становится более отчетливой Эта тенденция во многом аналогична усилению отрицательной фазы ионосферной бури с широтой, в основном, из-за изменения состава термосферы при переходе от спокойных к магнитовозмущенным условиям.

Увеличение солнечной активности приводит к уменьшению квазидвухлетних вариаций вероятности появления Р-рассеяния ДРуг и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива в предполуночные часы и значима Увеличение геомагнитной активности приводит к увеличению ЛРуг и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива и значима в послеполуночные часы В целом вклад геомагнитной активности в изменения АРуг более важен, чем вклад солнечной активности, что, по-видимому, связано с относительно высокой амплитудой квазидвухлетних вариаций геомагнитной активности в анализируемый интервал времени

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

Основные результаты работы

1 Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности /•'-рассеяния Р от уровня солнечной активности с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам

2 Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия

3 Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем

4 Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности 5. Дана качественная интерпретация полученных закономерностей Обосновано, в частности, что равноденственные максимумы Р в ночные часы при высокой солнечной активности связаны с соответствующими максимумами частоты возникновения суббурь как источников генерации внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере авроральной области и с уменьшением затухания распространяющихся к низким широтам ВГВ при переходе к высокой солнечной активности, в основном, из-за уменьшения коэффициента молекулярной вязкости и теплопроводности

Основные публикации по теме диссертационной работы

1 Антонов А М, Непомнящая ЕВ, М Н Фаткуллин Явление И-рассеяния в дневной средне широтной ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия 1987 Т27 №5 С 831-833

2 Митякова,Э Е, Непомнящая Е В , Юдович Л А Аномальные и спорадические образования в Р-области ионосферы средних широт по данным ВЗ // Неоднородная структура ионосферы различных пространственных и временных масштабов - М ИЗ МИР АН, 1989 С 125-133

3 Деминов М Г , Карпачев А Т , Непомнящая Е В О связи сезонных изменений ночного среднеширотного Р-рассеяния с солнечной и геомагнитной активностями//Геомагнетизм и аэрономия 1991 Т 31 №6 С 1102-1104

4. Иванов-Холодный Г С, Непомнящая Е В, Чертопруд В Е

Изменения параметров квазидвухлетних вариаций ионосферы Земли в одиннадцатилетнем цикле // Геомагнетизм и аэрономия 2000 Т 40 №

4 С 126-128

5 Деминов М Г, Иванов-Холодный Г С, Непомнящая Е В Зависимость квазидвухлетних вариаций критической частоты Р2-слоя от индексов солнечной и геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия 2002 Т 42 № 1 С 112-115

6 Деминов М Г, Непомнящая Е В Зависимость вероятности среднеширотного Р-рассеяния от солнечной и геомагнитной активностей // Геомагнетизм и аэрономия 2003 Т 43 № 6 С 763769

7 Деминов М Г , Непомнящая Е В , Ситнов Ю С Закономерности вероятности появления среднеширотного Р-рассеяния в восходно-заходные периоды // Геомагнетизм и аэрономия 2005 Т45 № 4 С 487-495

ЕВ.Непомнящая

Вариации р'расосяния в ионосфере средни;' широт и их связь с солнечной 1! геомагнитной актинностьто

Подписано * печати 25.09.2007 г Усл.печ.п 1.0. заказ N5 II. Тираж 100 экз

Отпечатано » ИЗМИРАН. 142190 г Троицк Моск. обл.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Непомнящая, Елена Валериевна

Введение.

Глава 1.Явление Е-рассеяния в ионосфере средних широт (обзор).

1.1. Типы и характеристики Р-рассеяния.

1.2. Образование Р-рассеяния.

1.3. Пространственно-временные особенности Р-рассеяния.

1.4. Квазидвухлетние вариации.

Глава 2. Ночное среднеширотное Е-рассеяние.

2.1. Основные закономерности.

2.2. Интерпретация.

2.3. Выводы.

Глава З.Среднеширотное Е-рассеяние в восходно-заходные периоды

3.1. Основные закономерности.

3.2. Обсуждение.

3.3. Выводы.

Глава 4. Квазидвухлетние вариации области F2 ионосферы и их зависимость от солнечной и геомагнитной активности.

4.1. Квазидвухлетние вариации критической частоты слоя F2.

4.2.Квазидвухлетние вариации вероятности F-рассеяния.

4.3. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Вариации F-рассеяния в ионосфере средних широт и их связь с солнечной и геомагнитной активностью"

Предметом диссертационной работы является среднеширотное F-рассеяние, различные его вариации и их связь с солнечной и геомагнитной активностями.

Актуальность работы. Впервые явление F-рассеяния было обнаружено и определено как наличие размытых, диффузных отражений на ионограммах вертикального зондирования при отражении от области F2 ионосферы более 60 лет назад (Booker and Wells, 1938). Поскольку при F-рассеянии на ионограммах трудно, а подчас и невозможно точно определить критические частоты и высоты отражений, это явление какое-то время считалось помехой, уменьшающей количество полезной информации. Но по мере развития знаний об ионосфере было установлено, что F-рассеяние обусловлено неоднородностями концентрации электронов и, тем самым, является источником информации о неоднородной структуре ионосферы. В настоящее время интерес к изучению этого явления обусловлен несколькими обстоятельствами. Задача изучения неоднородностей, связанных с F-рассеянием, является составной частью одной из фундаментальных проблем физики ионосферной плазмы - исследования полного спектра (от см до тысяч км) неоднородной структуры ионосферы. При обеспечении устойчивой работы линий связи и других радиотехнических систем KB -УКВ диапазона, в которых предъявляются особые требования к надежности выделения сигнала на фоне помех в различных гелио- и геофизических условиях, возникает необходимость более точного прогнозирования условий распространения радиоволн, основанного на моделях ионосферы, учитывающих ее тонкую структуру. Создание и совершенствование моделей ионосферы такого типа продолжается, однако моделей, удовлетворяющих всем требованиям прикладного характера, до сих пор нет. Возросшее в последние десятилетия техногенное воздействие на высотах F-слоя ионосферы заставило обратить особое внимание на проблему экологии ионосферы. В данном аспекте F-рассеяние можно использовать в качестве индикатора возмущенности ионосферы при мониторинге ее состояния.

Несмотря на большой объем знаний об F-рассеянии, накопленный за последние десятилетия, далеко не все закономерности изменения F-рассеянии надежно установлены и, тем более, изучены. Это относится и к среднеширотному Б-рассеянию. Известно, что среднеширотное Б-рассеяние -преимущественно ночное явление и в это время суток вероятность появления Б-рассеяния максимальна зимой при низком уровне солнечной активности. Однако многие детали вероятности появления Б-рассеяния в ночные, утренние и вечерние часы не были надежно установлены, например, зависимость характера годовых изменений этой вероятности от уровней солнечной и геомагнитной активности и особенности ее квазидвухлетних вариаций.

Цель работы - анализ закономерностей вероятности появления среднеширотного Б-рассеяния в ночные и восходно-заходные часы, выделение на этой основе не установленных ранее закономерностей и их интерпретация. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Создать базу данных вероятности появления Б-рассеяния (?) на основе обработки ионограмм вертикального зондирования ионосферы ст. Москва (55,5 N. 37,3 Е), полученных через каждые 15 минут во все часы суток за 1975-1985 годы, для анализа.

2. Используя эту базу данных, выполнить исследование закомерностей изменения Р: а) выявить для всех сезонов особенности зависимости Р от местного времени в минимуме и максимуме солнечного цикла; б) выявить закономерности и связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы; в) определить особенности изменения характера годовых изменений Р при переходе от низкой к высокой солнечной активности и оценить вклад геомагнитной активности в эти изменения; г) выявить квазидвухлетние вариации Р и определить связь этих вариаций с уровнями солнечной и геомагнитной активности.

3. Дать интерпретацию установленных закономерностей.

Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые:

1. Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности ^рассеяния Р от уровня солнечной активности: с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам.

2. Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности: при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия.

3. Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы: этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем.

4. Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности: эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности.

5. Дана качественная интерпретация полученных закономерностей. Обосновано, в частности, что равноденственные максимумы Р в ночные часы при высокой солнечной активности связаны с соответствующими максимумами частоты возникновения суббурь как источников генерации внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере авроральной области и с уменьшением затухания распространяющихся к низким широтам ВГВ при переходе к высокой солнечной активности, в основном, из-за уменьшения коэффициента молекулярной вязкости и теплопроводности.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы: а) для прогноза условий распространения радиоволн в среднеширотной ионосфере; б) при проектировании различных радиотехнических систем КВ-УКВ диапазонов; в) в дальнейших исследованиях механизмов генерации неоднородностей в ионосферной плазме.

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, повторяемостью полученных результатов для близких, но разнесенных по времени гелиогеофизических условий, физической обоснованностью известных исходных уравнений и положений, использованных при интерпретации установленных закономерностей.

На защиту выносятся:

1. Установленные закономерности вероятности появления среднеширотного F-рассеяния Р:

- зависимость времени достижения ночного максимума Р от уровня солнечной активности;

-зависимость относительного вклада годовой и полугодовой компонент в сезонные изменения Р в ночные часы от уровня солнечной активности и зависимость вклада геомагнитной активности в эти изменения от уровня солнечной активности;

- связь утреннего и вечернего максимумов Р от условий освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы.

2. Выявленные связи квазидвухлетних вариаций Р с уровнями солнечной и геомагнитной активности.

3. Результаты интерпретации установленных закономерностей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на объединенном общеинститутском семинаре ИЗМИРАН по Физике Солнца, VI Всесоюзном совещании по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1986 г.), Межведомственном семинаре "Результаты комплексных исследований по данным измерений ИСЗ Ж-19" (Калуга, 1988 г.), VIII совещании-семинаре "Неоднородная структура ионосферы" (Н.Новгород, 1991 г.), конференции по «Солнечно-земной физике» (Иркутск. 2004 г.) Работа выполнялась в рамках НИР ИЗМИРАН и грантов РФФИ 98-02-16189, 01-02-16307, 04-02-16374.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Личный вклад автора состоит в создании базы данных вероятности F-рассеяния, обработке этих данных, совместном анализе и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 152 страницы печатного текста, 38 рисунков, 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 111 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Непомнящая, Елена Валериевна

4.3. Выводы

1. С помощью фильтрации впервые выявлены квазидвухлетние вариации (КДВ) критической частоты -/c»F2 и показано, что они выделяются также надежно, как и КДВ дециметрового излучения Солнца Рюл» Сопоставление этих величин показало, что для трех солнечных циклов КДВ /оР2 изменяются почти синхронно с КДВ Н|о.75 а амплитуда Д/ уменьшается приблизительно в два раза при переходе от дневных к ночным условиям.

2. Зависимость КДВ критической частоты Л/ от КДВ дециметрового излучения Солнца АР является основной и, безусловно, значимой. Эта зависимость в конечном итоге обусловлена еще более отчетливой зависимостью среднегодовых значений /оР2 от среднегодовых значений ^юп через процессы ионизации и нагрева термосферы. Зависимость А/ от АР почти не зависит от широты. Поэтому для анализа зависимости Д/ от АР в этом интервале широт достаточно использовать данные одной ионосферной станции.

3. Зависимость А/от КДВ индекса геомагнитной активности ААр не значима, что связано с относительно низкими среднегодовыми значениями ^-индекса геомагнитной активности. Тем не менее, наблюдается отчетливая тенденция к изменению характера этой зависимости с широтой - на относительно высоких широтах антикорреляция между Д/ и ААр становится более отчетливой. Эта тенденция во многом аналогична усилению отрицательной фазы ионосферной бури с широтой, в основном, из-за изменения состава термосферы при переходе от спокойных к магнитовозмущенным условиям.

4. Увеличение солнечной активности приводит к уменьшению квазидвухлетних вариаций вероятности появления Р-рассеяния АРуг и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива в предполуночные часы и значима. Увеличение геомагнитной активности приводит к увеличению ДР^ и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива и значима в послеполуночные часы. В целом вклад геомагнитной активности в изменения АРуг более важен, чем вклад солнечной активности, что, по-видимому, связано с относительно высокой амплитудой квазидвухлетних вариаций геомагнитной активности в анализируемый интервал времени.

142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги проведенного исследования, суммируем вкратце основные результаты работы:

1. Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности ^-рассеяния Р от уровня солнечной активности: с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам.

2. Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности: при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия.

3. Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы: этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем.

4. Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности: эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности.

5. Дана качественная интерпретация полученных закономерностей.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Непомнящая, Елена Валериевна, Троицк

1. Абрамчук В.П, Ружин Ю.Я. Магнитосопряженная генерация спорадических образований в Е-области ионосферы // Дифракция и распространение радиоволн в неоднородных средах / Под ред. Лукина Д.С., M.: МФТИ. 1987. С. 83-88.

2. Авакян C.B., Дробжев В.И., Краснов В.М. Волны и излучение верхней атмосферы. Алма-Ата. Наука. 1981. С. 165.

3. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М.: Наука. 1960. Антонов A.M., Непомнящая Е.В., М.Н.Фаткуллин Явление F-рассеяния в дневной среднеширотной ионосфере // Геомагнетизм, и аэрономия. 1987. Т.27. № 5. С.831-833.

4. Антонова Л.А., Иванов-Холодный Г.С., Чертопруд В.Е. Аэрономия слоя Е (учет вариаций УФ-излучений Солнца и геомагнитных возмущений). М.: "Янус". 1996. С. 168.

5. Выборное Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин A.B. Особенности поведения индекса среднеширотного F-рассеяния//Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40. № 3. С.322-326.

6. Галкин А.И., Ерофеев Н.М., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д.

7. Ионосферные измерения. М.: Наука. 1971. С. 174.

8. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука. 1974. С. 256.

9. Гершман Б.Н. Механизмы возникновения ионосферных неоднородностей вобласти F //Ионосферные исследования. 1980. №4. С. 17-27.

10. Гершман Б.Н., Григорьев Г.И. Перемещающиеся ионосферные возмущения

11. Обзор)//Изв. Вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 1. С.5-27.

12. Гершман Б.Н., Ерухимов JI.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере икосмической плазме. М.: Наука. 1984. С.392.

13. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука. 1984. С. 141. Гневышев М.Н. Корона и 11-летний цикл солнечной деятельности // Астрон. ж. 1963. Т. 40. N 3. С.401-412.

14. Гончар Г.А., Жантаурова Р.Б., Коломеец Е.В., Слюняева Н.В. Частотные спектры и динамика длиннопериодных вариаций изотропного и анизотропного потоков // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1982. Т.46. N 9. С.1739-1741.

15. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир. 1978. С.532.

16. Данилов А.Д., Морозова Л.Д. Ионосферные бури в области F2. Морфология ифизика. 1985. Т.25. № 5. С.705-721.

17. Деминов М.Г., Иванов-Холодный Г.С., Непомнящая Е.В. Зависимость квазидвухлетних вариаций критической частоты Р2-слоя от индексов солнечной и геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42.№ i.e. 112-115.

18. Дробжев В.И., Куделин Г.М., Нургожин В.И., Пеленицын Г.М., Рудина М.П., Троицкий Б.В., Яковец А.Ф. Волновые возмущения в ионосфере. Алма-Ата. Наука. 1975. С. 187.

19. Ерухимов JIM. Исследование неоднородной электронной плотности в ионосфере радиоастрономическими методами и с помощью искусственных спутников Земли (обзор)//Изв.вузов. Радиофизика. 1962. Т.5. № 5. С. 939865.

20. Ерухимов JIM., Максименко О.И., Мясников E.H. О неоднородной структуре верхней ионосферы. //Ионосферные исследования. М.: Сов. радио. 1980. N 30. С.27-48.

21. ЕрухимовЛ.М., Метелев С.А., Митякова Э.Е., Мясников E.H., Рахлин A.B., Урядов В.П., Фролов B.JI. Экспериментальные исследования искусственной ионосферной турбулентности // В сб. Тепловые нелинейные явления в плазме. ИПФ АН СССР. Горький. 1979. С.7-45.

22. Ерухимов Л.М., Э.Е.Митякова. Неоднородная структура ионосферы и ее связь с волновыми возмущениями. // Динамика ионосферы. Алма-Ата. Тылым". 1991. С. 18-25.

23. Калинин Ю.Д. О некоторых вопросах изучения вековых вариаций земногомагнетизма//ТрудыНИИЗМ. 1952. Вып.8(18). С.5-11.

24. Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Временные закономерности поведениядиффузных отражений в гелиоцикле по данным ст.Иркутск. // Исследованияпо геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1979. Вып.47.1. С.67-69.

25. Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Динамикапроцессов рассеянных отражений по наблюдениям на ст. Иркутск //Ионосферные исследования. 1969. №17. С.209-213.

26. Кринберг И.А., Тащилин A.B. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука. 1984. С.189.

27. Мурадов А., Мухаметназарова А. Количественные характеристики F-рассеярия по данным вертикального зондирования. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1982. Вып.59. С.24-28.

28. Земли. II Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли (сб.научных трудов). М.: Наука. 1971. С.104-118.

29. Поляков В.М., Щепкин JI.A., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д.

30. Ионосферные процессы. Новосибирск: Наука. 1968. С.535.

31. Ривин Ю.Р. Циклы Земли и Солнца. М.: Наука. 1989. С. 165.

32. Ривин Ю.Р., Обридко В.Н. Циклическое изменение потокавысокоэнергичных нейтрино Солнца//Астрон. ж. 1997. Т.74. N 1. С.83-92.

33. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. М.: Наука.1977. С. 344.

34. Рыжов Ю.А. Аномальное поглощение электромагнитных волн в случайно неоднородной бесстолкновительной магнитоактивной плазме // ЖЭТФ. 1977. Т.7. Вып. 1.С. 141.

35. Сомсиков В.М. Солнечный терминатор и динамика атмосферы. Алма-Ата. Наука. 1983. С. 192.

36. Apostolov Е.М. Quasi-biennial oscillation in sunspot activity // Bull. Astron. Inat. Czechosl. 1985. V. 36. N2. P.97-102.

37. Bilitza D. International Reference Ionosphere Status 1995/96 // Adv. Space Res. 1997. V. 20. N9. P. 1751-1754.

38. Booker H.G. A local reduction of F-region ionization due to missile transit //J/Geophys. Res. 1961. V.66. N 4. P. 1073-1079.

39. Booker H.G., P.K.Pasmicha, W.J.Powers. Use of scintillation theory to explain frequency-spread on F-region ionograms // J.Atm. Terr. Phys. 1986. V.48. N 4. P.327- 354.

40. Bowman G.G. Further studies of "spread-F" at Brisbane, 2, Interpretation //Planet. And Space Sci. 1960b. V. 2. N 2/3. P.150-156.

41. Bowman G.G. Ionospheric spread-F sunspot activity and geomagnetic activity. // Nature.Phys.Sci. 1971. V.229. N 4. P. 117-118.

42. Bowman G.G. Latitude dependence of the time delay in spread-F occurrence following geomagnetic activity// J.Atmos. and Terr.Phys. 1979. V.41. N 9. P.999-10004.

43. Bowman G.G. Movements of ionospheric irregularities and gravity waves

44. J.Atmos. and Terr. Phys. 1968. V.30. N 5. P.721-734.

45. Bowman G.G. Spread-F occurrence in mid and low-latitude regions related tovarious levels of geomagnetic activity. // J.Atmos. and Terr.Phys. 1982. V. 44. N 7.1. P.585-589.

46. Briggs B.H. A study of the ionospheric irregularities whicth cause spread-F echoes and scintillations of the radio stars // J.Atmos. and Terr. Phys. 1958. V.12. N 1. P.34-42.

47. Briggs B.H. Observation of radio star scintillation and F-spread echoes over a solarcycle // J.Atm. and Terr.Phys. 1964. V.26. P. 1-23.

48. Cohen R., Bowles k. On the nature of equatorial spread-F // J/Geophys.Res. 1961. V.66.N4. P.1081-1106.

49. Currie R.G. // J. Geophys. Res. 1966. V. 71. N 19. P.4579.

50. Dason P.L. Topside spread-F at midlatitudes. // J.Geophys.Res. 1968. V.73. N 7.1. P.2441-2446.

51. Fejer B.G., Kelley M.C. Ionospheric irregularities. // Revs Geophys. and Space Phys. 1980. V.18. N 2. P.401-454.

52. Fremow E.L., Rino C.L. An empirical model for average F-layer scintilation at VHF/UHF//Radio Sci. 1973. V.8. N 3. P.2130-222.

53. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights. // Canad. J. Phys. 1960. V.38. P. 1441-1481.

54. McNicol R.W.E., Webster H.G., Bowman G.G. A study of spread F ionospheric echoes at night at Brisbane //Austr. J. Phys. 1956. N 2. P.247-251. Munro G.H. Short-period variations in the ionosphere //Nature. 1949. V. 163. N 4/ST. P.812-814.

55. Pitteway M.L.V., Cohen R. A waveguide interpretation of "temperate-latitude spread-F" of equatorial ionograms // J.Geophys.Res. 1961. V.66. N 10. P.3141-3156.

56. Renau Y.A. A study of observed spread-F // J.Geoph.Res. 1960. V.65. N 10. P.3219.

57. Schunk R.W., Nagy A.F. Ionospheres of the terrestrial planets // Rev. Geophys.and Space Phys. 1980. V.18. N 4. P.813-852.

58. Shapiro R. and Ward F. // J. Atmospher. Sci. 1962. V. 19. P. 506.

59. Shimazaki T. A statistical study of world-wide occurence probability of spread

60. F,I. //J.Rad.Res.Lab., Japan. 1959. V. 6. N 28. P.669-705.

61. Singleton D.G. The morphology of spread-F occurrence over half a sunspot cycle.

62. J.Geophys.Res. 1968. V. 73. N 1. P.295-308.

63. Titheridge J.E. Periodic disturbances in the ionosphere.// J. Geophys. Res. 1968. V.73.N 1. P.243-252.

64. VlasovMichael N., Michael J. Nicolls, and Michael C.Kelly. Modelingof airglow andionosphericparametersat Arecibo during quiet and disturbed periods in October 2002 // J.Geophys. Res. 2005. V. 110. A07303.

65. Wand R.H. A model representation of the ionospheric electric field over Millstone

66. Hill (A = 56°) // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. N A7. P. 5801-5808.

67. Wrenn G.L., Rodger A.S. Geomagnetic modification of the midlatitude ionosphere:

68. Toward a strategy for the improved forecasting foF2 // Radio Sci. 1989. V.24. N 1.1. P.99-111.

69. Wright R.W., Koster Y.R., Skinner N.Y. Spred F layer echoes and radio star scintillation.//J.Atm. and Terr.Phys. 1956. V. 8. P.240-246.