Атмосфера над Норильском ниже 200 км в условиях минимума и максимума солнечной активности

Задача определения нейтральных газовых составляющих термосферы для различных гелио- и геофизических условий с помощью ионосферных измерений не потеряла актуальности и в настоящее время. Использование в нашей методике данных регулярных измерений методом вертикального зондирования ионосферы позволяет отслеживать состояние термосферы в определенные моменты.

Газовый состав на высотах, где располагается область F1 ионосферы, характеризуется в основном соотношением атомов кислорода и молекул кислорода и азота. Влияние газового состава на электронную концентрацию Ne и форму профиля N(h) особенно отчетливо проявляется на высотах ниже 200 км, где обычно в дневные часы выполняется условие фотохимического равновесия. Это позволяет с помощью полуэмпирической модели (ПЭМ) [Щепкин и др., 1997] описать связь Ne с газовым составом термосферы, ее температурой и потоком солнечного излучения. Ранее по результатам регулярных измере- ний с использованием ПЭМ были получены отношения [O]/[N2] и [O2]/[О] на высотах 120–200 км в период длительного минимума солнечной активности 2007–2009 гг. по известной авторской методике [Кушнаренко и др., 2011, 2014; Яковлева и др., 2015]. Благодаря накоплению необходимых данных по измерениям с помощью дигизонда на ст. «Норильск», появилась возможность провести расчеты и для других условий солнечной активности. Представляем наши оценки отношений [O]/[N2] и [O2]/[О] на высотах 120–200 км для максимума солнечной активности. Отношения получены для дневных часов (7–18 LT) в разных геомагнитных условиях. Проведено сравнение с соответствующими величинами для минимума солнечной активности.

МЕТОД

И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Полуэмпирическая модель основана на уравнении регрессии:

^N e / ^N av = ^X 1 + ^X 2 [ n 1 / ( ⁵ n 2 + n 3 )J⁵ +

+ X з ( П 1 / n з ) 0^.5 ( cos х ) 05 +                          (1)

+ X 4 exp [- ( T ex - 600 ) / 600 ] + X 5 ( E / E 0 ) .

Здесь N e — электронная концентрация; N av — среднее значение N _e по всему объему данных отдельно для каждой высоты; X j — коэффициенты уравнения модели; n 1 , n 2 , n 3 — концентрации атомарного кислорода и молекулярных кислорода и азота соответственно; χ — зенитный угол Солнца; T ex — температура экзосферы; E ₀ — энергия ионизирующего излучения E в максимуме солнечной активности. Уравнение (1) можно записать в следующем виде:

N / N v = X + x₂R^RW + e av 1       2

+ X 3 V R ( cos xf +

+ X 4 exp [- ( T _ex - 600 ) /600 ] +

+ X 5 ( E / E 0 ) .

Здесь R =[O]/[N 2 ]; W =[1/(1+5 R 2 )]^1.5; R 2 =[O 2 ]/[N 2 ]; R ₂/ R =[O₂]/[O], где [O], [O₂] и [N₂] — концентрации атомов кислорода и молекул кислорода и азота соответственно. При расчетах использовались модели термосферы [Hedin, 1987; Picone et al., 2002] и модель [Tobiska, Eparvier, 1998] для определения энергии ионизирующего излучения. Значения N e брались по результатам измерений Норильским дигизондом в дневные часы на высотах 120–200 км. По этим значениям N _e рассчитывались коэффициенты ПЭМ для каждой высоты интервала 120–200 км и для каждого конкретного периода исследования (минимум, максимум, промежуточный период солнечной активности). В качестве примера приведем использованную в расчетах таблицу коэффициентов для минимума солнечной активности (табл. 1).

В табл. 1 R corr — коэффициенты корреляции между массивами рассчитанных и экспериментальных значений N e для этого периода (в процедуре расчетов коэффициентов ПЭМ).

Рассчитанные коэффициенты модели для разных периодов позволяют нам говорить о привязке полученных по ним результатов к высотному интервалу 120–200 км. Из выражения (2) по этим данным можно определить величины R , R 2 , R 2 / R .

РЕЗУЛЬТАТЫ

И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Описанный метод позволяет оценить отношения газовых составляющих [O]/[N2] и [O2]/[O] на высотах 120–200 км в дневные часы (7–18 LT). В расчетах используются данные по электронной концентрации на указанных высотах, полученные из измерений Норильским дигизондом (69.4° N, 88.1° E). Для исследования выбирались дни со спокойными и возмущенными геомагнитными условиями во все сезоны 2014 г. — года максимума солнечной активности. Возмущенными считались дни с геомагнитным индексом Ар>10. Значения индексов F10.7, Ар и Dst получены из базы данных WDC-C2 в Киото []. Для каждого дня мы счи-

зима весна лето осень зима весна лето осень

Средние отношения [O]/[N2] и [O2]/[О] в годы минимума (левая панель, 2008 г.) и максимума (правая панель, 2014 г.) солнечной активности. Штриховыми кривыми показаны изменения в спокойных условиях

тали средние величины [O]/[N₂] и [O₂]/[O] за около-полуденные часы (10–14 LT) и находили средние значения отдельно для каждого сезона, а затем для последних отношений рассчитывали среднеквадратичное отклонение а . Результаты показаны в табл. 2. Для сравнения здесь же приведены оценки [O]/[N 2 ] и [O₂]/[O] для 2008 г., одного из трех годов длительного минимума солнечной активности.

Более наглядно наши оценки отношений показаны на рисунке, построенном по данным из табл. 2.

Отношение [O]/[N 2 ]

Отношение [O]/[N 2 ] во все сезоны минимума солнечной активности показывает незначительное (6–12 %) уменьшение при переходе от спокойных условий к возмущенным. Причина, возможно, в том, что рассматривались слабые геомагнитные возмущения, поскольку период последнего солнечного минимума характеризовался необычайно спокойной геомагнитной обстановкой [Белов, Гайдаш, 2009] . Значения [O]/[N₂] максимальны зимой и минимальны летом: уменьшение от одного сезона к другому составляет около 25 % как в возмущенные, так и в спокойные дни во все три года минимума.

В максимуме солнечной активности, как и в минимуме, отношение [O]/[N₂] имеет наибольшие значения зимой и наименьшие — летом. Однако в максимуме солнечной активности при переходе от зимы к лету и наоборот отношение [O]/[N 2 ] изменяется в 2.7 раза и в спокойные, и в возмущенные дни, что намного превышает аналогичную величину в условиях минимума. Объясняется это, по-видимому, аномально низким уровнем солнечного EUV-излучения в последнем минимуме: измерения показали уменьшение энергии на 15 % в сравнении с предыдущими двумя минимумами солнечной активности [Solomon et al., 2010] . Поскольку EUV-излучение контролирует температуру и плотность термосферы, в минимуме последнего солнечного цикла термосфера была необычно холодной, а ионосфера — ниже и прохлад-

Таблица 1

Коэффициенты полуэмпирической модели (ПЭМ) для минимума солнечной активности

высота	Х 1	Х 2	Х 3	Х 4	Х 5	R corr	N av
120	–0.1844	–7.403	4.842	0.0000	0.9708	0.935	7.51
130	–0.4140	–7.960	5.459	0.2335	0.9473	0.904	8.57
140	–0.3128	–8.238	5.310	0.2341	0.7888	0.941	10.25
150	–0.3352	–7.917	5.106	0.4142	0.7005	0.950	12.07
160	–0.3521	–7.048	4.688	0.5798	0.7009	0.958	13.80
170	–0.3646	–5.463	4.130	0.7145	0.7496	0.960	15.39
180	–0.3462	–2.644	3.430	0.7984	0.7455	0.936	17.16
190	–0.3267	1.388	2.659	0.8516	0.7008	0.832	19.49
200	–0.3604	5.298	1.983	0.9051	0.7580	0.697	22.32

Таблица 2

Средние отношения [O]/[N2] и [O2]/[О] в максимуме и минимуме солнечной активности (Норильск)

Год F10.7 [O]/[N2] зима весна лето осень возм. спок. возм. спок. возм. спок. возм. спок. 2008 69 0.223 0.231 0.180 0.190 0.168 0.179 0.189 0.215 σ, 2008 0.035 0.029 0.013 0.012 0.016 0.019 0.021 0.022 2014 146 0.467 0.496 0.193 0.274 0.162 0.178 0.370 0.490 σ, 2014 0.083 0.121 0.029 0.090 0.033 0.041 0.109 0.153 [O2]/[О] 2008 69 0.630 0.590 0.541 0.495 0.512 0.468 0.450 0.432 σ, 2008 0.111 0.094 0.028 0.025 0.050 0.039 0.051 0.057 2014 146 0.456 0.379 0.637 0.534 0.678 0.536 0.397 0.288 σ, 2014 0.103 0.109 0.071 0.079 0.217 0.204 0.179 0.119 нее в сравнении с аналогичными условиями в прошлом, что и подтвердили спутниковые измерения [Emmert et al., 2010].

При сравнении спокойных и возмущенных геомагнитных условий в максимуме солнечной активности в зимний и летний сезоны отмечаются незначительные изменения (3–6 %) значений [O]/[N 2 ], тогда как весной и осенью изменения [O]/[N 2 ] могут достигать 35 и 25 % соответственно. Возможно, за это ответственны более возмущенные геомагнитные условия в равноденственные периоды. Отношение [O]/[N₂] весной увеличивается на 25 % в геомагнитно-спокойные дни, но почти не меняется в возмущенные дни, так же как и в летний период. Значительное возрастание значений [O]/[N 2 ] наблюдается осенью: на 56 % в спокойные дни и на 50 % в возмущенные. Зимой увеличение составляет порядка 50 % и в спокойный, и в возмущенный период.

Отношение [O 2 ]/[О]

В условиях минимума солнечной активности наибольшие значения [O2]/[О] наблюдаются зимой как в спокойных, так и в возмущенных условиях, минимальные — осенью. В максимуме солнечной активности наибольшие значения [O2]/[О] отмечаются летом и весной, наименьшие — осенью. В сравнении со спокойными днями значения [O2]/[О] увеличиваются во время геомагнитных возмущений во все сезоны и в максимуме, и в минимуме солнечной активности, причем в минимуме это изменение достигает 10 %. В период максимума увеличение отношения [O2]/[О] в возмущенные дни значительнее: зимой и весной — 17 %, осенью — 28 %, лишь летом — 10 %. По-видимому, здесь оказывают свое влияние более возмущенные геомагнитные условия в максимуме солнечной активности.

Отметим, что в максимуме солнечной активности по сравнению с ее минимумом величины [O 2 ]/[О] зимой в спокойных и возмущенных условиях, а также в геомагнитно-спокойные дни осени могут уменьшиться на 35 %. Весной же в спокойных и возмущенных условиях отношение [O 2 ]/[О] увеличивается до 15 %, летом — до 20 % в сравнении с минимумом.

СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ОЦЕНОК ОТНОШЕНИЙ

Сравнение с модельными значениями

На основе большого количества данных по N _e, полученных из экспериментального материала по вертикальному зондированию ионосферы (Норильск), ранее нами были рассчитаны отношения [О]/[N₂] и [O₂]/[O] для дневных часов (7–18 LT) по всем имеющимся дням (спокойным и возмущенным) для одиннадцати лет с 2003 по 2013 г. [Куш-наренко и др., 2016] . В указанной работе проводилось сравнение с отношениями [О]/[N 2 ], полученными по модели термосферы МСИС для нескольких

Таблица 3

Величины r 1 =([О] / [N 2 ]) рас _ч /( [О] / [N 2 ]) мcиc

дни 2007 г. (летние дни) возм. 0.95 1.00 1.01 1.12 1.01 0.95 1.01 1.04 1.01 1.12 1.07 1.07 спок. 1.01 1.06 0.99 1.00 1.07 0.98 0.95 1.09 1.08 1.04 1.01 1.10 выбранных лет. В качестве примера выберем летний сезон для года минимума солнечной активности и приведем элемент таблицы сравнения (табл. 3) величины r 1=([О]/№)р»сч/([О]/№)мСНС для нескольких летних дней 2007 г. [Кушнаренко и др., 2016].

В подавляющем большинстве случаев для спокойных летних дней отмечалось достаточно хорошее соответствие величинам по МСИС — разница в пределах ±10 %. В возмущенные периоды разница может достигать ±10–20 %, в отдельных случаях даже больше. Эти результаты относятся и к другим годам, для которых проводилось сравнение. Можно сделать вывод о том, что рабочая модель довольно хорошо описывает термосферу над Норильском в геомагнитно-спокойных условиях летних сезонов и не всегда корректно — во время геомагнитных возмущений, особенно значительных.

Сравнение с экспериментальными значениями по измерениям GUVI

Рассчитанные отношения [O]/[N2] сравнивались со значениями, полученными по картам, построенным на основе измерений УФ-спектрометра GUVI []. Эти карты обеспечивают глобальное покрытие земной мезосферы и нижней термосферы (высоты 60–180 км) в дневное время. В период минимума солнечной активности наши оценки [O]/[N2] (табл. 2) в разумных пределах сопоставимы со значениями по GUVI для весенних и летних сезонов, которые составляют 0.1–0.3. Осенью и зимой соответствие имеет место в отдельных случаях. По-видимому, используемые в нашем методе модели термосферы не во все сезоны верно описывают газовый состав в регионе Норильска. Для максимума солнечной активности сравнение вполне соответствует нашим оценкам: величины по GUVI в весенний и летний периоды составляют от 0.2 до 0.3. Осенние значения 0.5 по GUVI также отвечают нашим значениям [O]/[N2] (табл. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    В минимуме солнечной активности во все сезоны величины [O]/[N 2 ] незначительно уменьшаются (6–12 %) при переходе от геомагнитно-спокойных условий к возмущенным.

• 2.    В минимуме и в максимуме солнечной активности отношение [O]/[N 2 ] максимально зимой и минимально летом. В период максимума солнечной активности и в спокойные, и в возмущенные дни величины [O]/[N₂] могут изменяться от одного сезона к другому в 2.7 раза, что намного превышает аналогичные изменения в период минимума.

• 3.    В максимуме солнечной активности переход от спокойных условий к возмущенным в зимний и летний периоды характеризуется слабым уменьше-

• нием (3–6 %) величин [O]/[N2], тогда как в весенний и осенний периоды это уменьшение может достигать 35 % и 25 % соответственно.

• 4.    В максимуме солнечной активности наибольшие значения [O 2 ]/[О] наблюдаются летом и весной, наименьшие — осенью. Во время геомагнитных возмущений значения [O₂]/[О] увеличиваются во все сезоны как в максимуме, так и в минимуме солнечной активности. В период минимума это изменение находится в пределах 10 % во все сезоны, в максимуме возрастание значительнее: зимой и весной — до 17 %, осенью — 28 %, однако летом оно по-прежнему находится в пределах 10 %.

• 5.    Сезонные изменения отношений [O]/[N₂] и [O 2 ]/[O] на высотах ниже 200 км в максимуме солнечной активности по сравнению с минимумом таковы:

  • 5.1.    И в спокойные, и в возмущенные дни отношение [O]/[N₂] увеличивается более чем на 50 % зимой и осенью и слабо меняется весной и летом.

  • 5.2.    Отношение [O₂]/[O] зимой и осенью уменьшается до 35 %, а весной и летом увеличивается на 15–20 % и в спокойные, и в возмущенные дни.

• 6.    Достоверность обсуждаемым оценкам придает использование в нашем методе экспериментальных данных по электронной концентрации, полученных из результатов метода вертикального зондирования ионосферы над Норильском, и вполне разумное соответствие данным GUVI.

Работа выполнена в рамках базового финансирования программы ФНИ II.16 (проект II.16.1.1 «Исследование влияния солнечной активности и процессов в нижней атмосфере на изменения термодинамических характеристик атмосферы, Мирового океана и климата»). Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Ангара» [http//ckp-rf.ru/ckp/3056].