Эффекты геомагнитных бурь на высотах ионосферного слоя F1 в регионе Иркутска в период спада и минимума солнечной активности

Исследованию откликов ионосферной области F2 на геомагнитные возмущения посвящено большое количество работ и обстоятельных обзоров. Относительно слабо исследована область высот 160–200 км (область F1). Анализ, выполненный в работах [Buresova, Lastovicka, 2001; Buresova et al., 2002] по данным европейской сети ионозондов, обнаружил, что независимо от знака ионосферного возмущения в области F2 на высотах слоя F1 всегда наблюдается отрицательное возмущение. Кроме того, выявлена осенне-весенняя асимметрия, т. е. осенью эффект уменьшения электронной концентрации выражен гораздо сильнее, чем весной. В работе [Mikhailov, Schlegel, 2003] авторы исследовали реакцию области F1 на геомагнитные бури по данным радаров некогерентного рассеяния и предположили, что наблюдаемые вариации электронной концентрации N e во время магнитных бурь на высотах слоя F1 в значительной мере могут быть обусловлены сезонными вариациями термосферы и изменениями ионного состава на этих уровнях. Авторы работ [Полех и др., 2011; Кушнаренко и др., 2012] провели изучение вариаций электронной концентрации во время магнитных бурь в 2005 г. по данным станций Иркутск и Якутск. Получено, что на высотах 150–200 км во время магнитных бурь наблюдается отрицательное возмущение N e и его амплитуда возрастает с высотой. В Якутске этот эффект проявляется сильнее, чем в Иркутске.

Известно, что основной причиной изменений электронной плотности во время геомагнитных возмущений является изменение в нейтральном составе термосферы. Каждая ионосферная область имеет разный нейтральный состав и свои собственные уникальные структурные особенности, и поэтому мы можем ожидать разные отклики каждой области на вызванные бурей возмущения.

В работе [Rishbeth, Garriott, 1969] описаны фотохимические процессы в нижней ионосфере и показано, что уровень перехода между областью преобладания молекулярных ионов NO+ и O2+ и областью, где доминируют атомные ионы O+, соответствует 160–200 км. Ниже этого уровня электронные потери пропорциональны квадрату электронной плотности Ne2, выше они подчиняются линейному закону и пропорциональны Ne.. Есть несколько физических процессов, которые могут давать вклад в наблюдаемый эффект геомагнитных бурь в нижней части ионосферной F-области в средних широтах. В возмущенных условиях изменения в газовом составе термосферы распространяются от высоких широт к экватору и воздействуют на баланс между процессами ионообразования и потерь. В нейтральном составе возмущенной зоны отмечается существенное увеличение плотности молекулярного азота и параллельное истощение плотности атомарного кислорода [O], что было подтверждено спутниковыми измерениями [Goncharenko et al., 2006]. На высотах выше уровня перехода скорость потерь ионизации зависит от концентрации молекулярных газов N2 и O2 и наблюдаемое увеличение их плотности усиливает рекомбинацию ионосферной плазмы, в то время как уменьшение концентрации [O] сокращает фотоионизацию. Совмещенные, эти два процесса угнетают Ne на высотах области F.

Согласно теориям геомагнитных возмущений, отклик F-области сильно зависит от типа термосферной циркуляции. Летний или зимний тип определяется, если регулярные (вызванные Солнцем) и вызванные бурей меридиональные ветры соответственно совпадают или имеют противоположные направления. При зимнем типе циркуляция в дневное время направлена к полюсу и препятствует вызванному геомагнитным возмущением и направленному к экватору ветру в средних широтах, который ослабляется и появляется дополнительная компонента восходящего вертикального ветра. В F2-области это часто ведет к увеличению Ne (положительная фаза) благодаря перемещению высоты максимума на большие высоты с меньшей скоростью потерь электронов. Повышение высот F1-области должно приводить к уменьшению отношения O/N2 и, следовательно, к уменьшению ионизации. Для летнего типа циркуляции эти два направления движения совпадают и газы с уменьшенным отношением O/N2 перемещаются из верхних широт в средние. Изменения в нейтральном составе приводят к уменьше- нию Ne на фиксированных высотах в F1-области, что согласуется с наблюдениями.

Другой фактор – связанное с возмущением увеличение потока энергетических частиц, однако это увеличение должно привести к возрастанию N e , что противоречит дневным наблюдениям в средних широтах. Поэтому увеличение скорости ионизации за счет энергочастиц не является доминирующим механизмом в поведении дневной ионосферы на высотах F1 во время геомагнитных бурь.

В данной работе продолжено исследование особенностей отклика электронной концентрации на высотах слоя F1 на геомагнитные бури различной интенсивности в годы спада и минимума солнечной активности в Азиатском регионе России.

Весенне-осенняя асимметрия в геомагнитных возмущениях

Были выбраны геомагнитные события для двух сезонов (весны и осени) для исследования реакции на них электронной концентрации на высотах ниже максимума слоя F1 в регионе Иркутска (табл. 1). Использовались значения Ne, полученные по измерениям Иркутского дигизонда (52° N, 104° Е) в годы спада и минимума солнечной активости (2003– 2008 гг.). Изменение среднегодового индекса F10.7 в этот период от 128 до 70 (в единицах 10–22 Вт·м–2∙Гц–1. Индексы геомагнитной активности Ар – среднесуточные. Индексы Dst – для времени максимального развития возмущения были взяты по данным Киото [].

На рис. 1 для ст. Иркутск показаны изменения N _e на высоте 190 км, на которой они наиболее заметны в слое F1 во время геомагнитных событий для двух сезонов (весны и осени) 2003–2005 и 2006–2008 гг. Результаты показывают существенно разные отклики. Весной вариации N e в течение всех дней максимального развития бури довольно схожи и следуют за вариациями N e в дневных невозмущенных условиях. Уменьшение абсолютных значений N e в око-лополуденные часы происходит в пределах 20–35 % на высоте 190 км, около 20 % на 170 км и <10 % на 150 км. Осенью вариации N _e существенно различаются для отдельных бурь и имеют довольно нерегулярный временной ход. Осенний эффект заключается в заметном понижении N e во время главной фазы бури до 30–50 % на высоте 190 км, до 25 % на 170 км и до 15 % на 150 км. Кроме того, на фиксированных высотах наблюдаются сильные внутричасовые флуктуации N e , незначительные для весенних бурь (рис. 2).

Для иллюстрации этого явления использованы 15- и 5-минутные ионограммы для максимальных фаз бурь в апреле и сентябре 2005 г. (рис. 2). Электронная концентрация на высотах слоя F1 во время сильных геомагнитных возмущений в сентябре 2005 г. ( D _st=–147) отвечает на происходящее событие намного активнее, чем во время бури 5 апреля ( D st =–85). Изменения абсолютных значений N e происходят в течение пяти минут в 1.5–4 раза. Самые большие вариации соответствуют высоте 190 км, но и ниже электронная концентрация активно реагирует на возмущения, хотя амплитуда N e уменьшается с понижением высоты.

Рис . 1 . Дневное поведение N _e на 190 км в дни макси мального развития бури для всех анализируемых событий сезонов 2003–2005( а ) и 2006–2008 гг . ( б ) весной ( слева ) и осенью ( справа ).

Рис . 2 . Изменения N _e в дни максимального развития бури 05.04.2005 г . и бури 11.09.2005 г . на высотах 150, 170 и 190 км (15- и 5- минутные измерения ).

Возможным объяснением наблюдаемой весеннеосенней асимметрии геомагнитных бурь является связанное с сезоном изменение высоты уровня перехода области преобладания атомарных ионов над молекулярными [Buresova et al., 2002; Кушнаренко и др., 2011], что влечет за собой изменение высоты максимума F1-cлоя. Возможно, играет роль более глубокое проникновение возмущений из авроральных областей в средние широты в осенний период. Как показали данные спутниковых измерений [Goncharenko et al., 2006], возмущенная область характеризуется увеличением нейтральной плотности, что сопровождается изменениями в ионном составе на высотах слоя F1. Результатом является уменьшение Ne

Эффекты геомагнитных бурь на высотах ионосферного слоя F1 в регионе Иркутска …

Таблица 1

Анализируемые геомагнитные бури

Спокойные дни	День начала бури	Индексы А р , D st	Макс. фаза бури, день, UT
(18–20).04.2003	30.04.2003	45, –67	30.04.2003, 03:00
(10–12).10.2003	14.10.2003	66, –85	14.10.2003, 23:00
(06–08).03.2004	10.03.2004	45, –78	10.03.2004, 06:00
(11–12).10.2004	13.10.2004	33, –63	13.10.2004, 13:00
(1–3).04.2005	04.04.2005	50, –85	05.04.2005, 07:00
30.08.2005	31.08.2005	49, –122	31.08.2005, 20:00
13.04.2006	14.04.2006	65, –98	14.04.2006, 10:00
(10–12).10.2006	13.10.2006	30, –55	13.10.2006, 23:00
(10–12).03.2007	13.03.2007	24, –40	13.03.2007, 05:00
(25–27).09.2007	29.09.2007	30, –40	29.09.2007, 05:00
(07–08).03.2008	09.03.2008	30, –86	09.03.2008, 06:00
(08–10).10.2008	11.10.2008	34, –54	11.10.2008, 12:00

Таблица 2

Анализируемые геомагнитные очень сильные и экстремальные бури

Спокойные дни День начала бури Индексы Ар, Dst Макс. фаза бури, день, UT 20.05.2003 29.05.2003 107, –135 30.05.2003, 03:00 02.11.2003 29.10.2003 191, –383 30.10.2003, 23:00 05.11.2004 07.11.2004 202, –374 08.11.2004, 07:00 06.11.2004 07.11.2004 205, –236 10.11.2004, 11:00 07.05.2005 15.05.2005 236, –263 15.05.2005, 09:00 27.05.2005 30.05.2005 154, –138 30.05.2005, 14:00 на этих фиксированных высотах, что подтверждается наблюдениями.

Эффекты очень сильных бурь на высотах слоя F1

Были выбраны несколько очень сильных и экстремальных геомагнитных событий, чтобы проверить, зависит ли в регионе Иркутска амплитуда изменения N e на высотах F1-области от интенсивности геомагнитных бурь (табл. 2).

Были рассмотрены три осенних геомагнитных бури: две супербури 30.10.2003 и 08.11.2004 г. ( D st =–383 и –374 соответственно) и одна очень сильная буря 10.11.2004 г. ( D st =–236). Остальные три сильных бури ( D _st=–263, –135 и –138) приходятся на весенний период, поэтому имеется возможность сравнить эффекты их воздействия на высотах слоя F1 в разные сезоны.

На рис. 3, 4 представлены дневные вариации N _e на высотах 150, 170 и 190 км в дни максимального развития этих бурь в сравнении со спокойными днями для двух разных сезонов. Все три экстремальных события осеннего периода показывают очень сильный эффект: на высоте 190 км значения N _e вблизи полудня LT уменьшаются в сравнении со спокойными величинами в 2–4 раза, на 170 км – в 1.6–2.3 раза, на 150 км также заметно уменьшение примерно в 1.6 раза.

Весной на широте Иркутска не удалось проследить зависимость амплитуды изменения N e на высотах области F1 от интенсивности геомагнитных возмущений.

Очень сильная буря 15.05.2005 г. ( D st =–263) по своему воздействию на слой F1 аналогична более

Рис . 3 . Дневное поведение N _e на трех высотах в дни максимума двух экстремальных ( D _st=–383 и –374) и одной очень сильной ( D _st=–263) осенних геомагнитных бурь ( слева ) в сравнении со спокойными днями ( справа ).

Рис . 4 . Дневное поведение N _e на трех высотах в дни максимума бурь 15.05.2005 г . ( D _st=–263) ( а ), 30.05.2005 г . ( D st =–138) ( б ) и 30.05.2003 г . ( D st =–135) ( в ) в сравнении со спокойными днями ( справа ).

Все три сильных весенних бури оказывают почти одинаковое воздействие на N _e на высотах слоя F1: на 190 км N _e в полдень уменьшается в 1.3–1.6 раза в сравнении со спокойными величинами, на 170 км – в 1.1–1.4 раза, и на 150 км изменения слабо заметны (рис. 4).

В нашем случае наблюдается значительный эффект проникновения осенних супербурь на нижние высоты слоя F1. Возможно, это проявление весеннеосенней асимметрии для сильных бурь. Процесс, который, вероятно , способствует более сильному воздействию супервозмущений на нижние высоты слоя F1, – это несущий большие изменения в нейтральном составе и направленный к экватору сдвиг авроральной зоны, который значительно больше для супербурь [ Bu-resova et al., 2002 ] . Возможно, свою роль играет и термосферная циркуляция, поскольку от ее типа (летняя или зимняя) и от направления вызванных возмущением меридиональных ветров сильно зависит отклик F-области.

Выводы

• 1.    По данным Иркутского дигизонда для всех рассмотренных геомагнитных возмущений отклик ионосферы на высотах слоя F1 всегда отрицателен.

• 2.    Весенне-осенняя асимметрия в геомагнитных бурях на высотах слоя F1 в регионе Иркутска проявляется следующим образом. Во время умеренных весенних бурь не отмечается значительного уменьшения N _e на высотах 150–190 км в сравнении со спокойными условиями, в то время как осенние бури показывают существенное уменьшение N _e на 190 км и меньший эффект на более низких высотах.

• 3.    На широте Иркутска существует зависимость амплитуды изменения N e на высотах области F1 для осенних супербурь от их интенсивности. Весной этот эффект проследить не удалось.