Динамика возмущенности полного электронного содержания в высоких и средних широтах по данным GPS

Одним из эффективных методов изучения ионосферы являются современные глобальные навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС с развитыми сетями наземных приемников. Зондирование ионосферы радиосигналами GPS/ГЛОНАСС позволяет изучать неоднородности ионосферной плазмы. В последние годы большое внимание уделяется исследованию морфологии ионосферных возмущений различных масштабов в отдельных регионах земного шара [Tsugawa, Saito, 2004; Kotake et al., 2006; Tsugawa et al., 2007a, b; Otsuka et al., 2011, 2013]. Установлены общие характеристики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ, периоды 10–60 мин) в Европе, Японии и Северной Америке. Дневные ПИВ в этих регионах часто возникают в зимний период и в равноденствие. Учитывая преимущественное направление (на юг и юго-восток) дневных ПИВ, авторы работ [Kotake et al., 2006; Tsugawa et al., 2007a, b; Otsuka et al., 2011, 2013] высказали предположение, что эти возмущения вызваны гравитационными волнами, а ночные ПИВ, в среднем распространяющиеся на юго-запад, могут быть связаны с электродинамическими силами. В Японии выявлены общие характеристики ПИВ (периоды более 60 мин) [Tsugawa, Saito, 2004]. Выделены три типа: затухающие и нарастающие ПИВ в возмущенный период и затухающие ПИВ в спокойный период. Определены средние скорости затухания, периоды, длины волн, горизонтальные скорости и направления перемещения для ПИВ каждого типа.

Основная часть результатов по морфологии ионосферных возмущений получена по данным плотных сетей приемников GPS. Однако для таких исследований могут использоваться и отдельные станции GPS, так как даже одна станция обеспечивает контроль вариаций полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере в радиусе 500–1000 км за счет пространственного распределения лучей приемник – спутник GPS в течение суток. При этом серьезным ограничением технологии GPS-зондирования ионосферы является малая длительность непрерывного ряда ПЭС, ограниченная временем наблюдения одного спутника (около 2–6 ч). Эта проблема затрудняет изучение долговременных вариаций ПЭС и их связей с процессами в магнитосфере Земли и воздействиями со стороны солнечного ветра. Для решения этой проблемы в ИСЗФ СО РАН разработан метод, позволяющий получить многодневные непрерывные ряды усредненной интенсивности вариаций ПЭС, фильтрованных в выбранном диапазоне периодов, по данным измерений отдельной GPS-станции (индекс возмущенности W _TEC) [Berngardt et al., 2014a, b; Воейков и др., 2016]. В настоящей работе данный метод был применен для сравнения поведения вариаций ПЭС в средне- и высокоширотных областях с изменениями индексов геомагнитной активности.

ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ

В работе использовались ряды вариаций ПЭС за 2013 г., полученные по данным среднеширотной станции MOND, входящей в состав Сибирской сети приемников GPS/ГЛОНАСС, созданной в ИСЗФ СО РАН, а также высокоширотной GPS-станции NRIL, принадлежащей Геофизической службе РАН (ГС РАН) и расположенной на Норильской комплексной магнитно-ионосферной станции ИСЗФ СО РАН. Временное разрешение данных составляло 1 с.

Временные ряды вариаций ПЭС I ( t ) рассчитывались на основе двухчастотных фазовых измерений на всех радиолучах приемник GPS – спутник GPS для выбранной GPS-станции и для углов места на спутник >5°. Алгоритм определения ПЭС по фазовым измерениям приемника GPS на двух частотах хорошо известен и широко используется в последние 20 лет [Hofmann-Wellenhof et al., 1992; Афрай-мович, Перевалова, 2006]:

1 f ² f ²

I = ¹²[( L λ - L λ) +const + σ], (1) 40.308 f ₁ ² - f ₂ ^{211 22}

где L 1 λ 1 , L 2 λ 2 — приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере; L 1 , L 2 — фазовые измерения GPS-приемника на частотах f 1 и f 2 соответственно; const — неоднозначность фазовых измерений; σ — ошибка измерения фазы. Фазовые измерения позволяют рассчитывать не абсолютное значение, а вариации ПЭС, так как начальное значение ПЭС ( const ) остается неизвестным. Для определения const применяются различные методики [Hofmann-Wellenhof et al., 1992]. При изучении ионосферных возмущений из рядов I ( t ) удаляется тренд (фильтрация данных), в результате чего const просто исключается. В то же время измерения фазы в системе GPS производятся с высокой степенью точности, так что ошибка в определении вариаций ПЭС по фазовым измерениям на двух частотах не превышает 10¹⁴ м^–2 (или 0.01 TECU) [Hofmann-Wellenhof et al., 1992; Афраймович, Перевалова, 2006]. Это позволяет выделять и изучать достаточно слабые возмущения ПЭС, вызванные как естественными, так и техногенными источниками. Общепринятой единицей измерения ПЭС является TECU (Total Electron Content Unit): 1 TECU=10¹⁶ электронов/м².

Общий уровень возмущенности вариаций ПЭС оценивался с помощью индекса W TEC . Метод расчета индекса W TEC имел несколько модификаций [Ишин и др., 2009; Berngardt et al., 2014a, b; Воейков и др., 2016]. В нашей работе мы использовали последний вариант, который авторы метода описали в статье [Воейков и др., 2016]. Ниже дано краткое изложение этого варианта.

Исходными данными для определения индекса W _TEC являются ряды вариаций «наклонного» ПЭС I i ( t ) вдоль лучей с GPS-приемника на i -й спутник

GPS, а также ряды θ i ( t ) углов места i -го спутника GPS. Ряды I i ( t ) подвергаются фильтрации методом скользящего среднего в заданном диапазоне периодов, в результате получаются фильтрованные ряды dI_i ( t ). Ряды «наклонных» фильтрованных вариаций ПЭС dI i ( t ) преобразуются в эквивалентные «вертикальные» значения dI v, i ( t ) [Воейков и др., 2016]:

dI v ,i ( t ) =dI i ( t )sin(θ i ( t )).                               (2)

Затем для каждого ряда dI v, i ( t ) определяется интенсивность A i ( t ) колебаний ПЭС. С этой целью вариации dI v, i ( t ) берутся по модулю и сглаживаются скользящим средним [Воейков и др., 2016]:

T /2

A(t ) , J dI v v .- ( t+ ^T ) d ^T,                       ⁽³⁾

T - T /2

где T — длительность окна сглаживания, которая обычно выбирается равной периоду фильтрации исходного ряда ПЭС.

После этого для каждого момента времени рассчитывается интенсивность вариаций ПЭС W TEC ( t ), усредненная по всем радиолучам приемник–спутник для выбранного приемника GPS. В методе используется процедура взвешенного усреднения рядов A i ( t ), чтобы избежать резких перепадов в усредненных данных в моменты времени, соответствующие началу и окончанию наблюдения одного спутника [Воейков и др., 2016]:

N

Z A( t ) 5 i ( t )

W TEC ( t ) =^{i= 1} _N ,                            (4)

Z S i (t ) i= 1

где N — число спутников, S_i ( t ) — весовая функция для i -го спутника, которая строится для каждого ряда A i ( t ) исходя из требования обращения в ноль на концах ряда функции S i ( t ) и ее производной. В качестве весовой функции используется [Воейков и др., 2016]

S , ( t ) = sin²(n( t - 1 o, , )/A T ),                          (5)

где Δ T i — длительность соответствующего ряда интенсивности A i ( t ), а t 0, i — его начало. Функция S i ( t ) равна 1 в середине ряда и монотонно спадает к 0 на концах ряда.

В результате описанной процедуры получается длительный непрерывный ряд усредненных значений интенсивности вариаций ПЭС, фильтрованных в выбранном диапазоне периодов. Длительность ряда WTEC(t) произвольна и может составлять от нескольких часов до многих суток. Временное разрешение ряда WTEC(t) определяется временным разрешением работы приемника. Согласно формулам (3) и (4), WTEC представляет собой усредненное значение модуля амплитуды колебаний ПЭС. Поэтому размерность WTEC совпадает с размерностью ПЭС, т. е. единицей измерения WTEC является TECU. Пределы изменения WTEC определяются пределами изменения амплитуды колебаний ПЭС, которые очень сильно зависят от периода колебаний, т. е. от масштаба ионосферных неоднородностей. Согласно данным многолетних исследований (см. список ли- тературы в [Афраймович, Перевалова, 2006]), для среднемасштабных ПИВ (периоды 1–10 мин) модуль амплитуды колебаний ПЭС (а следовательно, и WTEC) может меняться в пределах от 0 до 3 TECU; для крупномасштабных ПИВ (периоды более 10 мин) модуль амплитуды (и WTEC) варьирует в пределах от 0 до 10 TECU.

В настоящей работе мы рассматривали колебания ПЭС в двух диапазонах периодов: 1–10 и 1–40 мин, которые соответствуют среднемасштабным и крупномасштабным ПИВ. Поведение уровня возмущенности ПЭС сравнивалось с поведением геомагнитных индексов AE, Kp, Dst, данные о которых получены на сайте Международного центра данных в Киото []. Индексы отражают интенсивность и характер поведения магнитного поля Земли. Низкоширотный индекс Dst содержит информацию о планетарных возмущениях. Он вычисляется на основе измерений магнитного поля на четырех приэкваториальных станциях, и в первом приближении Dst-вариацию можно считать полем кольцевого тока [http://wdc. ]. Высокоширотный индекс АЕ характеризует интенсивность тока в авроральной зоне и является индикатором суббуревой активности. Индекс АЕ вычисляется по данным обсерваторий, расположенных в авроральных и субавроральных широтах [ ]. Индекс Kp является планетарным индексом и вычисляется по данным среднеширотных геомагнитных обсерваторий [ ].

УРОВЕНЬ ВОЗМУЩЕННОСТИ ПЭС В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ

Для сравнительного анализа уровня возму-щенности ПЭС и магнитного поля Земли были построены временные вариации W TEC для возмущений с периодами 1–10 и 1–40 мин и магнитных индексов AE , D st , K p за каждый месяц 2013 г. для высокоширотной станции NRIL. Примеры поведения индексов W TEC , AE , D st , K p в марте, июне, сентябре и декабре 2013 г. показаны на рис. 1.

Как видно из рис. 1, а , 15 марта 2013 г. зафиксировано внезапное начало бури (SSC), при этом значения W _TEC были малы, значение AE повысилось лишь до ~250 нТл, в вариациях D _st и K _p буря не проявилась. Во время наиболее сильной бури месяца 17 марта значения индекса W TEC существенно возросли до ~1 и ~1.5 TECU для колебаний с периодами 10 и 40 мин соответственно. В этот же день магнитный индекс AE повысился до отметки ~1750 нТл, D st понизился до значения –125 нТл, что говорит о хорошей согласованности поведения магнитных индексов и W TEC . Помимо этого можно выделить возмущения AE 1–2, 20–21, 22–24, и 27–30 марта, сопровождавшиеся возрастанием индекса W _TEC.

Сильная магнитная буря была зарегистрирована 1 июня 2013 г. (рис. 1, б ) с K _p=7, D _st≈–125 нТл, AE ≈1250 нТл (SSC 31 мая). В это время W TEC повысился до ~1.2 и 2 TECU для колебаний с периодами 10 и 40 мин соответственно. С 6 по 8 июня также наблюдались заметные возмущения магнитного поля:

Рис. 1 . Вариации индекса W _TEC для возмущений с периодами 1–10 и 1–40 мин для станции NRIL, а также вариации магнитных индексов AE , D _st и K _p в марте ( а ), июне ( б ), сентябре ( в ) и декабре ( г ) 2013 г. Вертикальными штриховыми линиями отмечены внезапные начала геомагнитных бурь

AE возрос до ~1250 нТл, D _st составлял –75 нТл и K _p=6. При этом W _TEC возрос до ~1.2 TECU (периоды 10 мин) и ~1 TECU (периоды 40 мин). В период 20– 26 июня (SSC 19 июня) наблюдались значительные колебания индекса AE ( AE до стигал значений ~1000 нТл). В это время наблюдалась хорошая согласованность в поведении индексов W TEC и AE . Индекс D st при этом менялся незначительно. Сильная магнитная буря была зарегистрирована 28–29 июня (SSC 27 июня) с D st ~–100 нТл и K p =6. Она нашла отражение в усилении индексов AE до ~1200 нТл, W _TEC до ~1 и ~1.5 TECU для возмущений с периодами 10 и 40 мин соответственно.

В сентябре 2013 г. (рис. 1, в) состояние магнитосферы было спокойным: Kp был меньше 4, AE в среднем не превышал 600 нТл. Значения индекса WTEC были малы, но периодически наблюдались увеличения амплитуды вариаций WTEC до 0.5–0.7 TECU, совпадавшие по времени с небольшими возмущениями индекса AE. Можно также отметить выраженные суточные вариации WTEC в течение всего месяца.

Согласованный рост индексов AE и W TEC наблюдался 3 декабря 2013 г. (рис. 1, г ), при этом AE равнялся приблизительно 500 нТл, а W TEC составлял ~0.75 TECU. Во время слабых магнитных бурь 7–9 декабря, 13–14 декабря и 25 декабря, проявившихся в индексах D _st, K _p, AE , наблюдало сь возрастание индекса W _TEC примерно до 0.5–1 TECU (для периодов 10 мин) и 1–1.75 TECU (для периодов 40 мин).

Как следует из вышесказанного, в Арктическом регионе поведение W TEC хорошо согласуется с изменением индекса AE , характеризующего геомагнитную обстановку в высоких широтах. Во время магнитных бурь, имеющих планетарный характер, наблюдается также связь между поведением индексов W TEC , D st и K p . В отсутствие сильных бурь поведение W TEC и индексов D st , K p мало согласовано, так как эти индексы отражают главным образом возмущения магнитного поля в экваториальных и средних широтах.

Уровень минимальной интенсивности возмущений ПЭС в Арктическом регионе близок погрешности определения ПЭС и не зависит от сезона: в 2013 г. он составлял 0.013 и 0.089 TECU для возмущений с периодами 10 и 40 мин соответственно.

На рис. 2 показаны интенсивности суточных вариаций W _TEC для периодов фильтрации 10 и 40 мин и геомагнитного индекса AE в течение 2013 г. Анализ показывает, что в высокоширотной ионосфере суточные вариации W TEC сильнее проявляются для среднемасштабных возмущений ПЭС (рис. 1; 2, а ), чем для крупномасштабных (рис. 1; 2, б ). Суточные вариации интенсивности среднемасштабных возмущений наиболее выражены в марте–апреле и в сентябре–октябре. Поведение индекса AE не зависит от времени суток (рис. 2, в ). Максимальные значения AE наблюдались в мае и июне 2013 г.

УРОВЕНЬ ВОЗМУЩЕННОСТИ ПЭС В СРЕДНИХ ШИРОТАХ

На рис. 3 показаны вариации индекса W _TEC для возмущений с периодами 1–10 и 1–40 мин для станции MOND, а также магнитных индексов AE , D st , K p в марте, июне, сентябре и декабре 2013 г.

Сравнение рис. 1 и 3 показывает, что средний уровень возмущенности W TEC в средних широтах ниже, чем в высоких, примерно в три раза для возмущений с периодом 10 мин и примерно в два раза для возмущений с периодом 40 мин. Средний минимальный уровень интенсивности возмущений ПЭС в средних широтах, так же как в высоких, близок погрешности определения ПЭС. Для крупномасштабных возмущений можно выделить небольшие сезонные колебания уровня: зимой он составляет около 0.03 TECU; летом его значение поднимается до 0.07 TECU. Для среднемасштабных возмущений средний минимальный уровень интенсивности возмущений ПЭС близок 0.01 TECU.

В средних широтах согласованность поведения W TEC с вариациями индексов магнитной активности (особенно с индексом AE ) менее выражена, чем в высоких. Как видно из рис. 3, а , б согласованность наблюдается в поведении крупномасштабных возмущений W _TEC и магнитных индексов главным образом во время сильных магнитных бурь 17 марта, 1 июня и 28–29 июня, когда D st опускался ниже ~100 нТл, а K p был больше 6. Значения W TEC для возмущений с периодами 40 мин в эти дни поднимались до ~0.4, ~0.35 и ~0.25 TECU соответственно, в то время как уровень среднемасштабных возмущений мало менялся. В целом интенсивность отклика W TEC на сильную магнитную бурю в средних

Рис. 2 . Интенсивности суточных колебаний индекса воз-мущенности W _TEC для периодов фильтрации 1–10 мин ( а ) и 1–40 мин ( б ), а также геомагнитного индекса AE ( в ) в течение 2013 г. в высоких широтах (станция NRIL). Линиями отмечено время появления солнечного терминатора (СТ) на высотах 300 км (штриховая линия) и 100 км (сплошная линия). Римскими цифрами обозначены месяцы 2013 г.

широтах ниже, чем в высоких, в ~15 раз для возмущений с периодом 10 мин и в ~4 раза для возмущений с периодом 40 мин. Магнитные бури в средних широтах вызывают образование главным образом крупномасштабных возмущений.

В сентябре 2013 г. (рис. 3, в ) в спокойной магнитной обстановке поведение W TEC также было спокойным: W TEC в среднем не превышал значений ~0.1 и ~0.2 TECU для колебаний с периодами 10 и 40 мин соответственно.

Рис. 3 . Вариации индекса W _TEC для возмущений с периодами 1–10 и 1–40 мин для станции MOND, а также магнитных индексов AE , D _st и K _p в марте ( а ), июне ( б ), сентябре ( в ) и декабре ( г ) 2013 г. Вертикальными штриховыми линиями отмечены внезапные начала геомагнитных бурь

В декабре вариации W TEC отличались большой амплитудой суточных вариаций, мало связанной с изменениями магнитного поля. Даже во время бурь 8 и 16 декабря 2013 г. ( D st ~–50 нТл) уровень W TEC изменился незначительно.

Таким образом, в средних широтах отклик индекса W _TEC на изменение магнитного поля менее выражен, чем в высоких. Согласованность поведения W _TEC и геомагнитных индексов D _st и K _p наблюдается во время сильных магнитных бурь. В это время интенсивность крупномасштабных возмущений ПЭС днем возрастает примерно в два раза. Среднемасштабные возмущения ПЭС не имеют существенного отклика на изменение магнитного поля.

На рис. 4 показаны интенсивности суточных вариаций WTEC для периодов фильтрации 10 и 40 мин в течение 2013 г. на станции MOND. Суточные вариации WTEC в средних широтах имеют сезонные особенности (рис. 3, 4). Летом возмущения более интенсивны в начале и конце дня, во все другие сезоны интенсивность возмущений выше в середине дня. Можно отметить увеличение интенсивности вариаций в светлое время суток с октября до конца года.

Черными линиями на рис. 4 показано время появления СТ на высотах 100 и 300 км. Из рис. 4, б видно, что в средних широтах (станция MOND) СТ порождает интенсивные крупномасштабные возмущения. Среднемасштабные возмущения, вызванные СТ, не наблюдаются (рис. 4, а ). Эти результаты согласуются с данными [Afraimovich et al., 2009], где было показано, что в средних широтах (30–40° N) СТ генерирует возмущения с периодами Т> 15 мин,

Рис. 4 . Интенсивности суточных колебаний индекса возмущенности W _TEC в течение 2013 г. для периодов фильтрации 1–10 ( а ) и 1–40 мин ( б ) в средних широтах (станция MOND). Линиями отмечено время появления СТ на высотах 300 км (штриховая линия) и 100 км (сплошная линия). Римскими цифрами обозначены месяцы 2013 г.

а возмущения с T <10 мин не наблюдаются. Учитывая это, можно сделать вывод, что СТ генерирует гравитационные волны ( T >10 мин [Hocke, Schlegel, 1996]) и не создает акустические ( T <10 мин [Hocke, Schlegel, 1996]). В Арктическом регионе (станция NRIL, рис. 2) волновые возмущения W _TEC, обусловленные СТ, отсутствуют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным среднеширотной GPS-станции MOND и высокоширотной GPS-станции NRIL проведен анализ общего уровня возмущенности ПЭС в диапазонах периодов 1–10 и 1–40 мин в 2013 г. Для характеристики общего уровня возмущенности ПЭС использовался специальный индекс W TEC , который позволил получить многодневные непрерывные ряды усредненной интенсивности вариаций ПЭС. В результате анализа установлены следующие особенности поведения уровня возмущенности ПЭС.

В Арктическом регионе средний минимальный уровень интенсивности средне- и крупномасштабных возмущений ПЭС составляет 0.013 и 0.089 TECU соответственно. Величина минимального уровня интенсивности возмущений ПЭС не зависит от сезона. Суточные вариации WTEC более выражены для среднемасштабных ионосферных возмущений (пе- риоды ~10 мин), чем для крупномасштабных (периоды ~40 мин). Поведение индекса WTEC хорошо согласуется с вариациями индекса AE и хуже — с поведением индексов Dst, Kp; только в случае сильных магнитных бурь, имеющих планетарный характер, поведение WTEC согласуется с поведением Dst. Волновые возмущения WTEC, обусловленные СТ, отсутствуют.

В средних широтах средний минимальный уровень интенсивности крупномасштабных возмущений ПЭС меняется от 0.03 TECU зимой до 0.07 TECU летом. Для среднемасштабных возмущений он близок 0.01 TECU. Суточные вариации W _TEC ярко выражены в течение всего года и имеют сезонные особенности. Поведение W _TEC в средних широтах хорошо согласуется с вариациями D st и K p во время сильных магнитных бурь. В этой области широт СТ вызывает образование крупномасштабных возмущений (с периодами больше 15 мин), а среднемасштабные возмущения (с периодами менее 10 мин) не наблюдаются. Таким образом, СТ генерирует гравитационные волны и не создает акустические.

Авторы выражают глубокую благодарность С.В. Воейкову, О.И. Бернгардту за разработанный ими метод расчета индекса W _TEC, предоставленные описание метода и программу расчета W _TEC, а также за полезные обсуждения. Кроме того, авторы выражают благодарность Геофизической службе РАН (ГС РАН) за предоставленные данные GPS-станции NRIL. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-37-00027).