Исследование широтных особенностей генерации волновых пакетов солнечным терминатором в долготном регионе Америки в течение 2008 г

Исследование процессов в околоземном простран стве и динамических характеристик неоднородностей электронной концентрации является одной из ключе вых задач физики ионосферы . Изучение структуры ионосферы и явлений , влияющих на ее состояние , важно как для понимания физики протекающих в ней процессов , так и для решения разнообразных радиофи зических задач . Одной из важных задач является мо ниторинг состояния ионосферы во время прохождения солнечного терминатора ( СТ ) – области , отделяющей пространство , освещаемое полным диском Солнца , от области полной тени , отбрасываемой Землей . Уста новлено , что в ионосфере происходит генерация раз личных возмущений , связанных с его прохождением [ Сомсиков , 1983, 2011; Карпов , Бессараб , 2008]. СТ представляет собой повторяющееся регулярное при родное явление , что дает возможность проводить множественные наблюдения , повышающие статисти ческую достоверность полученных результатов .

В настоящее время для определения параметров и характеристик волновых возмущений применяется радиофизический метод, позволяющий проводить экспериментальные исследования с помощью спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. Использование навигационной спутниковой системы очень удобно, так как позволяет наблюдать пространственно-временную структуру ионосферных возмущений непрерывно с хорошим (30 с) временным разрешением. Под непрерывностью в данном случае мы понимаем постоянное наблюдение каждым приемным пунктом не менее трех спутников и, как следствие, получение данных о полном электронном содержании (ПЭС) (т. е. о количестве электронов, содержащихся в столбе с сечением 1 м²) вдоль лучей к ним. Это обеспечивает круглосуточное получение данных о состоянии ионосферы над станцией наблюдения.

В результате более ранних исследований было установлено , что СТ вызывает генерацию волновых возмущений в ионосфере . По данным измерений приемников GPS было обнаружено , что эти возму щения наблюдаются в форме волновых пакетов ( ВП ) в вариациях ПЭС . На основе полученного ма териала авторами [Afraimovich et al., 2009] замечено , что наблюдаемые возмущения имеют магнитогид родинамическую природу . В работе [ Едемский и др ., 2011] изучены особенности возмущений по данным станций США и Японии .

Помимо СТ на состояние ионосферы Земли ока зывают влияние и другие источники возмущений , такие как землетрясения , магнитные бури , солнеч ные затмения и т . д . Присутствие в ионосфере воз мущений , сгенерированных данными источниками , создает общий уровень фоновых возмущений , ус ложняя тем самым выделение отдельных эффектов . Регулярность СТ позволяет достаточно точно опре делять время его прохождения и , используя много дневные измерения , накапливать наблюдения его эф фектов .

В предыдущих работах [Afraimovich et al., 2009; Афраймович и др ., 2009] исследования характери стик и параметров ВП проводились для двух неболь ших регионов Японии и США , что дало возможность проследить только общую динамику возмущений . В настоящей работе изучены широтные особенности волновых возмущений на территории Северной (30– 50° N, 225–300° E) и Южной (10° N–40° S, 250–350° E) Америки ( рис . 1, 2) в течение 2008 г . Исследования

П.Л. Малькова, И.К. Едемский проводились по данным, полученным в год минимума солнечной активности и, следовательно, при низкой геомагнитной активности . Общий уровень возмущен-ности ионосферы в таких условиях минимален. Авторами [Afraimovich et al., 2009] выдвинуто предположение, что из-за сезонного изменения угла наклона линии СТ относительно геомагнитных линий время регистрации ВП на различных широтах меняется. В данной работе выполнена проверка этого предположения для более широкого диапазона широт, нежели в работе [Afraimovich et al., 2009].

При исследовании влияния СТ на ионосферу Земли использовалась система локального времени терминатора [ Афраймович и др ., 2009]:

dT=tobs–tst, где tobs – момент времени в точке наблюдения, данные которой рассматриваются; tst – время прихода терминатора на заданную высоту h над точкой наблюдения.

Если знак разности dT отрицательный , то реги стрируемое событие опережает появление СТ , если же разность положительная , то СТ наблюдается раньше , чем происходит регистрация .

Для исследования эффектов волновых возмуще ний , вызванных СТ , удобно построить распределе ния количества регистрируемых ВП в системе ло кального времени терминатора . Детектирование ВП в вариациях ПЭС производится в автоматическом режиме . Исходные непрерывные ряды данных под вергаются фильтрации в диапазоне периодов 10–20 мин , после чего производится анализ присутствия в них волновых возмущений , подходящих под тип « волновой пакет ». Анализ осуществляется в два этапа .

Во - первых , выбираются вариации ПЭС , среднее квадратичное отклонение которых превышает за данный порог . В настоящей работе порог составляет 0.05 TECU. Во - вторых , наблюдаемые колебания должны лежать в достаточно узкой полосе частот . Чтобы определить , выполняется ли это условие , мы рассчитывали коэффициент отношения R спек тральной амплитуды A сигнала в узкой полосе час тот δ f в окрестности максимального значения ам плитудного спектра к суммарной спектральной ам плитуде сигнала вне полосы частот :

R =

f + 8 f

Z A. (f)

.=f -8f f-8f              ~

Z Aj (f)+ Z Ak (f)

j = 0              k = f + 8 f

Колебания считаются узкополосными , если R <2. Если вышеперечисленные критерии выполняются , то событие фиксируется как ВП .

С помощью этой методики анализа вариаций ПЭС были получены данные о регистрации ВП в регионах Северной и Южной Америки. На основании этих данных были построены распределения количества ВП в системе локального времени утреннего и вечернего терминатора. Распределения строились для каждого региона, на которые разбивалась территория Северной и Южной Америки. Протяженность региона по широте составляет 4° для США и 10° для Бразилии. Год делился на 35 интервалов по тридцать дней. Каждый последую- щий интервал включал в себя двадцать последних дней предыдущего интервала. Нормировка построенных распределений произведена таким образом, чтобы наибольшему количеству ВП соответствовало значение равное 1. Далее полученные 35 распределений собирались в непрерывную поверхность изменения числа ВП в зависимости от времени в системе терминатора и номера дня в году для США (рис. 1) и Бразилии (рис. 2).

Появление СТ на высоте 300 км над GPS- станцией соответствует нулевому значению на оси локального времени . Черными штриховой и сплошной линиями на рис . 1 отмечено время прохождения СТ на высоте 300 км над точками , сопряженными по магнитному полю с точками с наибольшей и наименьшей долго той в каждом регионе соответственно . Черной штриховой линией на рис . 2 отмечено время прохо ждения СТ в точке , магнитосопряженной с центром заданного региона . Линии на распределениях пред ставляют собой кривые . Это связано с тем , что в течение года угол наклона линии СТ меняется , вследствие чего меняется время достижения терми натором магнитосопряженной точки .

Видно , что характер распределений меняется на протяжении всего года , отмечая переход от летних условий к зимним и наоборот . На территории США ( рис . 1) наиболее выражен эффект вечернего термина тора . В зимний период (1–90, 240–366 дни ) ВП наблю даются после прохождения утреннего ( слева ) СТ , т . е . в дневное время . В летний период (90–240 дни ) они

Рис . 1. Динамика распределений числа ВП в системе утреннего ( слева ) и вечернего ( справа ) терминатора , по лученных по данным для широтных регионов на террито рии США в течение 2008 г .

Исследование широтных особенностей генерации волновых пакетов солнечным терминатором в долготном регионе ...

Рис . 2. Динамика распределений числа ВП в системе утреннего ( слева ) и вечернего ( справа ) терминатора , по лученных по данным для широтных регионов на террито рии Бразилии , в течение 2008 г .

регистрируются в ночные часы . В системе вечернего ( справа ) терминатора в послетерминаторной области количество ВП растет по мере увеличения широты к северу . В системе утреннего терминатора в после - терминаторной области максимальное количество ВП наблюдается на широтах 34–46° N. В период ве сеннего и осеннего равноденствия распределения имеют схожий вид .

По распределениям в системе вечернего терми натора ( рис . 1, правые панели ) видно , что ВП реги стрируются почти одновременно с прохождением СТ в магнитосопряженной точке , что вполне согла суется с гипотезой о магнитогидродинамической природе ВП , предложенной в [ Афраймович и др ., 2009]. Момент достижения терминатором магнито сопряженной точки смещается относительно момен та прохождения локальной точки ( т . е . места распо ложения приемной станции ) в течение года ( рис . 1), при этом наибольшее различие между ними наблю дается в периоды летнего и зимнего солнцестояний . В эти периоды наиболее отчетливо видно , что по мере удаления от экватора разность времен прохож дения СТ в локальной и магнитосопряженной точ ках увеличивается . Данная картина вполне согласу ется с представленным в [Afraimovich et al., 2009] характером годовых вариаций параметров ВП и , очевидно , обусловлена тем , что угол наклона линии СТ изменяется в течение года .

По распределениям количества ВП над территорией Южной Америки (рис. 2) хорошо различим переход от зимних условий к летним. Видно, что в зимний период (1–90, 240–366 дни) ВП наблюдаются в ночное время, тогда как в летний период (90– 240 дни) их регистрация происходит в основном в дневные часы. Нужно отметить, что по мере удаления от экватора число регистрируемых ВП уменьшается. Это связано с неравномерным распределением GPS-приемников: на южных широтах (30–40° S) их меньше, чем в других регионах.

На основании приведенных распределений нельзя сделать однозначный вывод о связи ВП , регистрируе мых над территорией Бразилии , с прохождением СТ в магнитосопряженных областях . Отметим , что согласно предполагаемому теоретическому механизму генера ции данных МГД - возмущений [Leonovich et al., 2010] наиболее эффективно их генерация осуществляется на широтах , соответствующих магнитным оболочкам L1– L2. На других L- оболочках условия сохранения коле баний не выполняются , что ведет к достаточно быст рому их затуханию . Кроме того , над территорией Бра зилии находится область экваториальной аномалии , а следовательно , фоновые условия в ионосфере значи тельно отличаются от условий средних широт . По всей видимости , механизм генерации ВП в данной области значительно отличается от предложенного для региона средних широт и требует дальнейшего исследования .

Авторы признательны С . В . Воейкову за помощь в обработке данных и Ю . В . Ясюкевичу за помощь в работе над статьей и обсуждение результатов работы . Авторы выражают благодарность Институту гео графической съемки Японии (Geographical Survey Institute of Japan), а также Международной службе глобальных навигационных спутниковых систем (International GNSS Service, IGS) за данные GPS, использованные в работе . Работа поддержана гран тами РФФИ № 12-05-31069, 12-05-33032.