Электронная концентрация на высотах ионосферного слоя F1 в последнем минимуме (2007-2009 гг.) цикла солнечной активности

Автор: Кушнаренко Г.П., Яковлева О.Е., Кузнецова Г.М.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 1 т.4, 2018 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты анализа годовых изменений дневной электронной концентрации N на высотах 140-200 км для последнего минимума солнечного цикла (2007-2009 гг.) по измерениям Иркутского дигизонда (52 °N, 104 °E). Для выделения закономерностей этих изменений определены новые коэффициенты известной авторской полуэмпирической модели (ПЭМ), описывающей связь N c характеристиками термосферы. Получено, что характерной особенностью годовых вариаций N в период минимума солнечного цикла является изменение их фазы на 180° в относительно узком интервале высот (170-180 км). Эти результаты, включая новые коэффициенты ПЭМ, являются оригинальными и представляют интерес для физики атмосферы и ионосферы.

Еще

Полуэмпирическая модель электронной концентрации, годовые вариации, высоты слоя f1

Короткий адрес: https://sciup.org/142220277

IDR: 142220277 | DOI: 10.12737/szf-41201806

Текст научной статьи Электронная концентрация на высотах ионосферного слоя F1 в последнем минимуме (2007-2009 гг.) цикла солнечной активности

электронную концентрацию в зависимости от состояния термосферы, при этом легко выделить вариации, связанные с временем года и суток, в условиях разной солнечной и магнитной активности.

Цель настоящей работы — анализ вариаций электронной концентрации N в годовом цикле на высотах ионосферного слоя F1 (140–200 км) в минимуме солнечной активности 2007–2009 гг. Рассматривались отклонения рассчитанных значений N от экспериментальных в разные месяцы этих лет и обсуждались возможные причины, их вызывающие. Отметим, что полученные результаты расчетов справедливы в рамках использованной в работе модели нейтральной атмосферы NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002] .

МОДЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

На фиксированных высотах слоя F1 величины N можно описать с помощью аналитического соотношения [Щепкин и др., 2005, 2007]

N / N av = x 1 + x 2 ([O]/(5[O 2 ]+[N 2 ])^1.5+ + x 3 ([O]/[N 2 ])^0.5cos(χ)^0.5+ (1)

+ x 4 exp(–( T –600)/600)+ x 5 ( E / E 0 ).

Здесь Nav определяет среднее значение N по всему объему данных отдельно для каждой высоты, xj — коэффициенты уравнения (1). Концентрации нейтральных частиц [O], [O2] и [N2] и температура T вычисляются по модели нейтральной атмосферы NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002], χ — зенитный угол Солнца, E — значение интегральной интенсивности потока ионизирующего излучения, E0 соответствует значению Е в максимуме солнечной активности. Величины Е рассчитаны по модели [Tobiska, Eparvier, 1998]. Для получения коэффициентов xj уравнения (1) был выбран массив ежедневных ежечасных значений N, измеренных с помощью Иркутского дигизонда на высотах 120, 130, …, 190, 200 км в 2003–2009 гг. в моменты времени с 7 до 18 LT. Для вычисления характеристик термосферы и значений Е использовались ежесуточ-ные значения индекса F10.7 и его значения, усредненные по 81 дню (3 оборота Солнца). Уровень геомагнитной активности учитывался с помощью ежедневных 3-часовых значений индекса Ар []. В результате получены коэффициенты уравнения аппроксимации (1) для ст. Иркутск в минимуме солнечной активности, что является значительным вкладом в существующую версию ПЭМ (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты уравнения аппроксимации (1)

h , км	N av ⋅ 10⁴см^–3	х 1	х 2	х 3	х 4	х 5
120	9.35	–0.1387	–7.245	4.261	0.0000	0.8025
130	10.70	–0.2776	–7.167	4.505	0.1869	0.7202
140	12.47	–0.3066	–6.225	4.458	0.1925	0.6873
150	14.42	–0.3814	–4.803	4.160	0.3468	0.7123
160	16.55	–0.4446	–2.760	3.710	0.4833	0.7606
170	19.24	–0.5073	0.565	3.168	0.5719	0.7501
180	23.06	–0.5759	4.977	2.627	0.5941	0.6790
190	27.95	–0.6901	8.793	2.199	0.5940	0.7681
200	32.92	–0.8756	10.967	1.972	0.6136	1.1206

РЕЗУЛЬТАТЫ

Типичные формы рассчитанных кривых годового хода полуденных величин N р на нижнем и верхнем уровнях рассматриваемого высотного интервала 140–200 км показаны на рис. 1. Годовые изменения N _р для трех лет минимума солнечной активности (2007–2009 гг.) представлены отдельно для высот 150 и 190 км. Можно отметить, что рассчитанные значения N р , соответствующие одной высоте, довольно близки друг другу во все три года минимума. Максимальные значения отчетливо просматриваются на нижних высотах (в частности, на 150 км) в летние месяцы, а минимальные — в зимние. Такая форма кривых N _р( D ) ( D — номер дня в году) характерна для высот 140–170 км. На высотах 190 и 200 км максимальные значения N р имеют место, как правило, в зимние месяцы, а летом наблюдается минимум годового хода.

Рис. 1 . Годовые изменения рассчитанных N _р на высотах 150 км ( а ) и 190 км ( б ) для трех лет: 1 — 2007 г., 2 — 2008 г., 3 — 2009 г. Штриховые кривые — экспериментальные значения (2007 г.)

Переход от одного типа кривых N _р( D ) к другому происходит вблизи высоты 170 км. Вблизи этой высоты происходит изменение фазы годового хода N на 180°. Здесь отмечается самая маленькая амплитуда годовых вариаций. Описанные изменения формы годовых вариаций N р обусловлены высотными вариациями газового состава, происходящими на фоне изменения зависимости скоростей процессов нейтрализации заряженных частиц ионосферы от электронной концентрации.

На рис. 2 показано годовое поведение (2007 г.) рассчитанных полуденных N _р на трех высотах — 150, 170 и 190 км. Для сравнения на каждой высоте приведены экспериментальные величины N 21 , т. е. N , осредненные за 21 день по всему массиву данных ( ± 10 дней с центром в данной точке). На всех высотах обнаруживается хорошее соответствие кривых, описывающих годовое поведение рассчитанных и экспериментальных N , как по величине, так и по форме. Сходство поведения N ₂₁ с обсуждаемыми рассчитанными вариациями N р заключается в том, что на

Рис. 2 . Годовое изменение рассчитанных в 2007 г. полуденных N _р на высотах 150 км (1), 170 км (2), 190 км (3). Штриховые кривые — экспериментальные N ₂₁ для каждой высоты

Рассчитанные N _р и величины N ₂₁ на высоте 150 км ( N ·10⁴, см^–3)

150 км	апрель							июнь
год	LT	8	10	12	14	16	18	8	10	12	14	16	18
2007	N р	20	22	23	21	19	15	19	21	21	20	18	16
	N 21	14	19	21	19	14	7	15	20	21	21	17	11
2008	N р	20	22	22	21	19	15	19	21	21	20	18	15
	N 21	14	18	19	18	14	6	15	19	20	19	16	11
2009	N р	20	22	22	21	19	15	19	21	21	20	18	15
	N 21	14	19	20	19	14	7	15	20	21	20	17	10

Таблица 2, б

Рассчитанные N р и величины N 21 на высоте 190 км ( N ·10⁴, см^–3)

190 км	апрель							июнь
год	LT	8	10	12	14	16	18	8	10	12	14	16	18
2007	N р	33	35	35	33	31	26	25	27	28	27	25	22
	N 21	22	27	31	29	26	18	21	25	27	25	22	19
2008	N р	33	35	34	33	30	26	25	27	27	27	25	22
	N 21	21	24	26	26	24	15	20	25	25	23	20	17
2009	N р	33	35	35	33	31	26	25	27	28	27	25	22
	N 21	22	25	28	27	23	16	22	26	26	24	21	15

Таблица 2, а

Таблица 3, а dN (%) в некоторые месяцы 2007 г. на высоте 150 км

LT	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
февраль	–	0	10	17	15	7	0	0	0	–	–	–
апрель	0	7	0	0	0	5	0	0	0	7	0	0
июнь	0	0	–5	–5	–5	–9	–5	–5	–5	–6	0	0
сентябрь	0	8	7	0	0	0	0	6	7	18	0	–
декабрь	–	–	–	0	0	9	8	0	–	–	–	–

Таблица 3, б dN (%) в некоторые месяцы 2007 г. на высоте 190 км

LT	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
февраль	60	19	0	0	3	3	3	0	7	5	–6	50
апрель	0	4	8	3	0	0	3	3	0	0	0	0
июнь	–10	0	-8	0	0	–3	4	0	4	0	0	5
сентябрь	0	4	0	4	3	0	3	0	–4	4	5	30
декабрь	–	–	7	3	6	0	3	3	9	–	–	–

150 км отмечается летний максимум, а на 190 км значения N зимой заметно большие, чем в равноденствия и в летние месяцы. Аналогичные рисунки, показывающие годовые вариации рассчитанных N р в 2008 и 2009 г., вписываются в представленную выше схему.

На высотах 190 и 200 км минимум кривой N р ( D ) устойчиво отмечается в июле. В то же время максимум наблюдается обычно зимой, в ноябре или декабре. Небольшое понижение N _р имеет место в декабре или январе по данным расчетов. В этом случае при минимальной солнечной активности характерна двугорбая форма кривой N _р( D ) с максимумами в марте и октябре–ноябре. Минимальные значения N _р отмечаются ниже 190 км в зимние месяцы. В целом можно говорить о хорошей степени аппроксимации большей части экспериментального материала. Для сравнения приведем таблицу рассчитанных значений (дневные часы) N р и экспериментальных N ₂₁ (апрель и июнь 2007–2009 гг.).

Данные табл. 2 (а, б) показывают, что между экспериментальными и рассчитанными N имеется вполне разумное соответствие. Рассмотрим откло- нения dN (получены по среднемесячным значениям Nр осреднением ежедневных значений для каждого часа LT) от экспериментальных Nэ по формуле dN=(Nр–Nэ)/Nэ.

Отклонения dN для некоторых месяцев 2007 г. на высотах 150 и 190 км показаны в табл. 3 (а, б).

Отметим зимнее (февраль) превышение N р над N э в дополуденные часы на высоте 150 км, а также в утренние часы на 190 км. Эти явления могут быть связаны с погрешностями расчетов при больших (>70°) зенитных углах Солнца, но возможна также их связь с особенностями отклонения в газовом составе от его модельного описания [Щепкин и др., 2008] . На нижних высотах 140–160 км отсутствие данных можно объяснить тем, что при низкой солнечной активности, когда минимальные значения N приходятся на зимний период, они становятся малыми и ненадежными.

Список литературы Электронная концентрация на высотах ионосферного слоя F1 в последнем минимуме (2007-2009 гг.) цикла солнечной активности

Щепкин Л.А., Климов Н.Н. Термосфера Земли. М.: Наука, 1980. 220 с.
Щепкин Л.А., Кушнаренко Г.П., Фрейзон И.А., Кузнецова Г.М. Связь электронной концентрации в средней ионосфере с состоянием термосферы//Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 5. С. 106-113.
Щепкин Л.А., Кушнаренко Г.П., Кузнецова Г.М. Годовые вариации электронной концентрации в области F1 ионосферы//Солнечно-земная физика. 2005. Вып. 7. С. 62-65.
Щепкин Л.А., Кузнецова. Г. М., Кушнаренко Г.П., Ратовский К.Г. Интерпретация измерений электронной концентрации с помощью полуэмпирической модели // Солнечно-земная физика. 2007. Вып. 10. С. 89-92.
Щепкин Л.А., Кузнецова. Г.М., Кушнаренко Г.П., Ратовский К.Г. Аппроксимация данных по измерениям электронной концентрации в средней ионосфере при низкой солнечной активности // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 11. С. 66-69.
Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 Empirical model of the atmosphere; statistical comparisons and scientific issues//J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1469
DOI: 10.1029/2002JA009430
Tobiska W.K., Eparvier F.G. EUV97: Improvements to EUV irradiance modeling in the soft X-rays and EUV//Solar Phys. 1998. V. 147, N 1. P. 147-159.
http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp
Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. (GTD7-2000) NRLMSISE-00 Empirical model of the atmosphere: statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. 1469
DOI: 10.1029/2002JA009430
Shchepkin L.A., Klimov N.N. The Earth thermosphere. Moscow: Nauka Publ., 1980, 220 p.
Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Freizon I.A., Kuznetsova G.M. The electron density connection with the thermospheric state in the middle ionosphere. Geomagnetizm i aeronomiya . 1997, vol. 37, no. 5, pp. 106-113..
Shchepkin L.A., Kushnarenko G.P., Kuznetsova G.M. Annual electron density variations in F1 region of ionosphere. Solnechno-zemnaya fizika . 2005, vol. 7, pp. 62-65..
Shchepkin L.A., Kuznetsova G.M., Kushnarenko G.P., Ratovsky K.G. The interpretation of electron density measu-rements with using semiempirical model. Solnechno-zemnaya fizika . 2007, vol. 10, pp. 89-92..
Shchepkin L.A., Kuznetsova G.M., Kushnarenko G.P., Ratovsky K.G. Approximation of electron density measurements data in middle ionosphere during the low solar activity. Solnechno-zemnaya fizika . 2008, vol. 11, pp. 66-69..
Tobiska W.K., Eparvier F.G. EUV97: Improvements to EUV irradiance modeling in the soft x-rays and EUV. Solar Phys. 1998, vol. 147, no. 1, pp. 147-159.
http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp

Еще

Статья научная