Ионосферные возмущения в годы минимума солнечной активности и их влияние на распространение КВ-радиоволн

С сентября 2005 г . каждый сезон проводились серии длительных (3–4 недели ) координирован ных экспериментов с использованием радиофизи ческих инструментов ИСЗФ и ИКФИА СО РАН , ИКИР ДВО РАН на трассах наклонного зондиро вания Норильск – Иркутск , Магадан – Иркутск , Ир кутском радаре некогерентного рассеяния и сети станций вертикального зондирования , располо женных в Северо - Восточном регионе России . Этот регион характеризуется наибольшим разли чием географических и геомагнитных координат . Экспериментальные данные , полученные с помо щью указанных радиофизических средств , позво лили выявить наиболее характерные особенности поведения ионосферных параметров и условий распространения радиоволн в обширном про странственном регионе от высоких до средних широт в спокойных условиях . Были исследованы вариации состояния ионосферы во время геомаг нитных возмущений и больших бурь в октябре – ноябре 2003 г . и ноябре 2004 г . [1–4]. Кроме того , сделаны качественные оценки влияния главного ионосферного провала на характеристики распро странения КВ - радиоволн [5].

В данной работе приведены результаты иссле дования вариаций ионосферных параметров и ха рактеристик распространения радиоволн , полу ченных во время умеренных магнитных бурь , за регистрированных в годы низкой солнечной ак тивности , и во время экстремальных событий на Солнце в сентябре 2005 г . и декабре 2006 г .

Анализ экспериментальных данных

Для анализа использованы данные наклонного зондирования , полученные на трассах Магадан –

Иркутск и Норильск – Иркутск с использованием ЛЧМ - ионозондов ( с линейной модуляцией частоты ) собственной конструкции [6], и вертикального зон дирования на станциях Иркутск , Магадан и Но рильск с временным разрешением 15 и 5 мин . Для более детального анализа вариаций ионосферы во время бурь были привлечены данные со станций Хабаровск и Жиганск . Наклонное зондирование ионосферы осуществлялось круглосуточно с интер валом 15 мин в каждом эксперименте . Диапазон частот зондирования от 4 до 30 МГц , скорость пере стройки частоты 500 кГц / с .

Расположение ионозондов и геометрия радио трасс приведены на рис . 1. Координаты станций вертикального зондирования , передающих и прием -

Рис . 1. Схема расположения радиотрасс и станций верти кального зондирования .

Координаты станций вертикального зондирования , передающих и приемных пунктов ЛЧМ ионозонда

Станции Географические Геомагнитные широта долгота широта долгота Норильск 69.20 88.26 58.71 165.7 Жиганск 66.3 123.4 55.2 190.0 Якутск 62.0 129.6 50.99 194.1 Магадан 60.0 151.0 50.9 211.6 Иркутск 52.5 104.0 41.1 174.8 Хабаровск 48.5 135.1 37.91 200.4 ных пунктов ЛЧМ-ионозондов приведены в таблице. Информация о текущем индексе солнечного радиоизлучения F10.7, Kр-, Dst-индексах и значениях рентгеновского потока солнечного излучения была получена на сайтах и

Экстремальные солнечные события в сентяб ре 2005 г .

Солнечная фоновая активность была невысокой и составляла F 10.7 ≈ (75–120)·10^–22 Вт / Гц · м ². Первые дни сентября характеризовались медленной фазой восстановления после геомагнитной бури 31 авгу ста . На фоне этой фазы восстановления наблюда лись суббури , во время которых K _р - индекс достигал 5–6 (2–4 сентября ). На рис . 2 приведены вариации K р - индекса , критических частот слоев F2 и E s на станциях Норильск , Якутск , Магадан , Иркутск и мак -

8     1.09.05    2.09.05     3.09.05    4.09.05     5.09.05     6.09.05

Норильск s4

Якутск

s

Магадан-Иркутск

Норильск-Иркутск

UT, час

Рис . 2. Вариации K _р - индекса , критических частот ионо сферных слоев и максимальных наблюдаемых частот на трассах наклонного зондирования с 1 по 6 сентября 2005 г . Пунктирные линии показывают вариации f ₀F2 в спо койный день , сплошные – текущие значения f ₀F2, звездоч ки – отражения от E_s- слоя .

симальных наблюдаемых частот ( МНЧ ) на трассах Магадан – Иркутск и Норильск – Иркутск 1–6 сентября . Видно , что к началу суток 2 сентября значения f 0 F2 практически восстановились до невозмущенного уровня . В Норильске регистрировались интенсивные спорадические слои , особенно ночью , которые экра нировали F2- слой , что привело к росту поглощения и отсутствию отраженных радиосигналов на трассе Но - рильск – Иркутск , за исключением относительно корот кого интервала в дневные часы 2 и 5–6 сентября . На трассе Магадан – Иркутск величины M НЧ днем меня лись от 17 до 21 МГц . Рост K _р - индекса 2 сентября при вел к развитию положительного возмущения в ве черние часы (6–14 UT), зафиксированного по дан ным ВЗ в Якутске и Магадане , после которого кри тические частоты резко упали . Подобные вариации наблюдались в ходе МНЧ на трассе Магадан – Иркутск с небольшим сдвигом по времени . К 8 сен тября геомагнитные условия восстановились до не возмущенного уровня и радиосигналы на трассе Магадан – Иркутск регистрировались практически в течение всех суток .

Данные , полученные в период с 7 по 15 сентября , представляют наибольший интерес , так как этот интервал характеризуется наиболее интенсивной вспышечной активностью Солнца . Во время вспыш ки происходит резкое увеличение солнечного излу чения в крайнем ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах , что приводит к быстрому росту иониза ции атмосферных составляющих в большом интер вале высот от D- области до F2- слоя , внезапным ионо сферным возмущениям (SID), развитию блэкаутов и другим явлениям , которые существенно меняют свой ства ионосферного радиоканала [7].

Рентгеновские вспышки, зарегистрированные 7 и 8 сентября 2005 г., вызвали быстрый рост ионизации в нижней ионосфере, что привело к кратковременному увеличению наименьших наблюдаемых частот (ННЧ) на трассе Магадан–Иркутск в утренние часы местного времени. Девятого сентября прохождение КВ-радиоволн в основном регистрировалось в дневные и утренние часы, когда наблюдалась серия вспышек. В ночное время радиосигналы отсутствовали. Величины ННЧ возросли в целом на 1.5–3.0 МГц относительно предыдущих дней, что привело к снижению частотного диапазона принимаемых радиосигналов. На трассе Норильск–Иркутск 9 сентября регулярный прием радиосигналов осуществлялся только в утренние часы, днем отражения наблюдались редко. По данным дигизондов DPS-4, расположенных в Якутске и Иркутске, были исследованы вариации минимальных частот отражения (fmin), которые служат индикатором поглощения в ионосфере. Было отмечено, что 7 и 8 сентября эти параметры существенно не изменились. Девятого сентября как в Якутске, так и в Иркутске резкие увеличения величин fmin соответствовали пикам интенсивности рентгеновского излучения. Были выделены интервалы, во время которых величины минимальных частот сначала возрастали до 3–5 МГц, затем отражения исчезали из-за возросшего поглощения, после чего отражения на ионограммах восстанавливались с большими минимальными частотами (2.50–3.30 и 5.45–6.15 UT). Оценки показали, что при возрастании fmin до 4–5 МГц уровень поглощения увеличивается в 1.5–2.5 раза. Подобные кратковременные интервалы резкого увеличения fmin были получены для других дней.

После 06 UT десятого сентября наблюдалось увеличение K р – индекса . В Якутске увеличились ночные значения f ₀F2, обусловленные диффузным высыпанием корпускулярных частиц . В то же время

увеличился интервал поглощения радиосигналов на трассе Магадан – Иркутск в ночные часы местного вре мени . В 15 UT 10 сентября началась геомагнитная бу ря , минимум которой приходился на 11 UT 11 сентяб ря . Эта буря имела длительную фазу восстановления . На рис . 3 приведены изменения K р - и D st - индексов , характеристик наклонного зондирования на трассе Магадан – Иркутск и критических частот слоя F2 в Якутске , Магадане и Иркутске в период с 10 по 14 сентября . На трассе Норильск – Иркутск сигналы не регистрировались с 11 по 13 сентября из - за низких величин f ₀F2 и увеличения поглощения в нижних слоях ионосферы . Данные вертикального зондиро вания показывают , что в Иркутске 11 сентября на блюдались колебания f 0 F2 с амплитудой 1–3 МГц . В Якутске f 0 F2 были ниже спокойного уровня , коле бания незначительны . Ночью отражения либо от сутствовали , либо их частоты были низкими ( ≤ 2 МГц ) как в Якутске , так и в Иркутске , что привело к блэкауту на трассе Магадан – Иркутск в эти часы . Волнообразные изменения электронной плотности во время этой бури были также зарегистрированы по данным радара некогерентного рассеяния [8].

Ионосферные возмущения в декабре 2006 г .

После продолжительного спокойного периода солнечной активности , характерного для солнечного минимума , наблюдалась серия солнечных вспышек М - и Х - класса в декабре 2006 г . Наиболее мощная из них , класса Х 5 с последующим резким возрастанием интенсивности солнечного радиоизлучения , была зарегистрирована 6 декабря с 18:29 до 19:00 UT. Однако активная область на Солнце в это время на ходилась вне геоэффективной зоны . Более геоэф - фективной оказалась вспышка Х - класса , наблю давшаяся 13 декабря 2006 г ., после которой после довала магнитная буря с минимумом D _st = –147 нТл в 07 UT 15 декабря . Значения K р увеличились до 4 в 12 UT и до 8 во время главной фазы . Рост K р вызвал увеличение электронной концентрации в ночные часы на станции Якутск , появление интенсивных спорадических слоев , которые были зафиксированы на всех рассматриваемых станциях . На рис . 4 приве дены вариации геомагнитных индексов ( а , б ), кри тических частот слоя F2 для станций Северо Восточного региона России Магадан , Якутск и Ир кутск ( в , г , д ) и максимальных наблюдаемых частот на трассах Магадан – Иркутск и Норильск – Иркутск . В Жиганске и Норильске практически в течение всех суток 15 декабря регистрировались экрани рующие спорадические E- слои .

Главной особенностью отклика ионосферы на эту бурю было появление интенсивного положи тельного возмущения , которое наблюдалось на стан -

à

10.09.05     11.09.05    12.09.05     13.09.05   14.09

fi 0

Я СП

-60

^ -120

Магадан- Иркутск

Я6

S4

ь2

Якутск

6                                                Магадан

S 24 ПЛлШЛ/

Магадан

fe 2

я6

UT, час

Рис . 3. То же самое для 10–14 сентября 2005 г .

13.12

14.12

15.12

16.12

б

е

ж

Якутск

У** 1 г

S

UT, час

Q

^6

4 0

^2

^6 54

»a 2

Рис . 4. То же самое во время магнитной бури 13–16 декабря 2006 г .

-100

-150

я8

Магадан

12     0    12

д п 24

циях вертикального зондирования в Магадане , Якутске , Иркутске и Хабаровске в послеполуденные часы 15 декабря с аномально высокими значениями критических частот ( до 8–10 МГц ). Подобное круп номасштабное возмущение было зарегистрировано в этом регионе 8 и 10 ноября 2004 г . [2]. Вариации ио носферных параметров вызвали значительное измене ние характеристик распространения КВ - сигналов . На трассе Магадан – Иркутск 15 декабря днем регистри ровались низкие МНЧ , не превышающие 10–12 МГц . После полудня (5–7 UT) эти величины возрос ли в 2 раза , затем быстро уменьшились . На трассе Норильск – Иркутск такого возрастания МНЧ не на блюдалось . Общим явлением для обеих трасс было распространение радиосигналов через Е s - слой . На ионограммах наклонного зондирования для трасс Магадан – Иркутск и Норильск – Иркутск в ночные часы регистрировались только отражения от Е s с максимальными наблюдаемыми частотами , близки ми или превышающими дневные значения МНЧ , распространяющиеся через F2- слой .

Обсуждение результатов и выводы

На основании проведенного анализа экспери ментальных данных наклонного и вертикального зондирования , полученных во время длительных экспериментов в 2005–2006 гг ., можно выделить несколько типов ионосферных возмущений .

Первый тип ионосферных возмущений связан с воздействием рентгеновских вспышек и проявляется в резком кратковременном увеличении минималь ных частот отражения на ионограммах вертикально го и повышении наименьших наблюдаемых часто тах на ионограммах наклонного зондирования . Этот тип возмущений относится к типу внезапных ионо сферных возмущений (SID). Такого рода возмуще ния вызывают значительные помехи в радиопере дающих и навигационных системах .

Второй тип ионосферных возмущений связан с откликом ионосферы на магнитную бурю , прояв ляющимся в уменьшение критических частот в дневные часы во время главной фазы бури . Это ти пичные отрицательные возмущения , которые при водят к значительному уменьшению максимальных наблюдаемых частот на трассах наклонного зонди рования . В вечерние и послеполуденные часы реги стрируются резкие понижения электронной концен трации , связанные со смещением экваториальной стенки главного электронного провала , которые в значительной степени искажают свойства ионо сферного радиоканала и могут вызвать продолжи тельные перерывы в сеансах радиосвязи .

Третий тип возмущений представляет колебания электронной концентрации, наиболее интенсивные на средних широтах во время главной фазы геомагнитной бури. Проявления такого возмущения отмечены на ионограммах вертикального зондирования в Иркутске и зарегистрированы радаром НР. Резкие градиенты электронной концентрации приводят к большим изменениям характеристик распространения радиоволн, особенно МПЧ, величина которых зависит от градиентов критических частот и высот максимума F2-слоя вдоль трассы распространения радиосигналов. Происхождение таких ионосферных возмущений объясняется генерацией акустико-гравитационных волн в авроральной зоне, которые могут перемещаться к экваториальным широтам на большие расстояния [9–10].

Таким образом , полученные экспериментальные данные на сети цифровых ионозондов вертикально го и наклонного зондирования с высоким времен ным разрешением показали , что сеть ионозондов является современным средством изучения условий распространения радиоволн и может быть использо вана для диагностики состояния ионосферы .

Работа была выполнена в рамках проекта 4.9 Программы РАН № 16, часть 3 и интеграционного проекта СО РАН № 3–24