Климатические особенности ионосферы над Иркутском. Наблюдения и сравнения с моделью IRI-2001

Морфологические особенности поведения ионо сферы над Иркутском (52.3 N, 104.3 E) были исследо ваны методом текущих медиан . Для исследования были выбраны основные параметры , характери зующие F2- слой ионосферы : критическая частота ( f 0 F2), высота максимума ( h m F2), а также значения электронной концентрации ( N e ) на высотах 200, 250, 300 и 350 км . Ионосферные данные получены с по мощью цифрового ионозонда DPS-4 [1], установлен ного в Иркутске в ноябре 2002 г . Медианные значения рассчитывались для каждого дня года усреднением по 31 дню , в результате ионосферные параметры рас сматривались как функции местного времени и дня года . Предполагается , что эти функции адекватно опи сывают суточные и сезонные закономерности , по скольку влияние других факторов нивелировано 31 дневным усреднением . Такая форма представления данных позволяет исследовать морфологические осо бенности поведения электронной концентрации , в частности проводить сопоставления результатов на блюдений с известными моделями . В работе пред ставлены результаты сравнения наблюдений с данны ми модели IRI [2] на фазе спада солнечной активности (2003–2006 гг .)

Различия в форме суточного хода f ₀F2

Основные различия между наблюдаемой и мо дельной формами суточного хода f 0 F2 для Иркутска проявляются в летнее время , впервые эта законо мерность была отмечена в работе [3]. На рис . 1 представлены суточные вариации f ₀F2 для июлей 2003–2006 гг . Видно , что в экспериментальном су точном ходе наблюдается четко выраженный вечер ний максимум ( около 21 LT), в то время как для прогноза IRI характерно наличие двух близких по значению максимумов в предполуденное (10–11 LT) и вечернее ( около 21 LT) время .

Двухпиковая форма суточного хода, предсказанная моделью IRI, характерна для среднеширотных европейских станций [4, 5]. Таким образом, расхождение между прогнозом IRI для Иркутска и наблюдениями аналогично отличию между особенностями ионосферы над Иркутском и Европой. Довольно похожий характер различия в форме летнего суточного хода над Якутском и субавроральными европейскими стан- циями был f0F2 (МГц)

f 0 F2 ( МГц )

0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24

Рис . 1. Суточные вариации f ₀F2 для июлей 2003–2006 гг .

Сплошная линия – наблюдения , штриховая – модель IRI.

мечен в работе [6]. Авторы работы это различие свя зывали с влиянием Восточно - Сибирской магнитной аномалии . На наш взгляд , это различие может быть связано с различным сдвигом фазы нейтрального ветра . В пользу этой версии говорят результаты ра боты [7], где было показано , что сдвиг фазы ней трального ветра приводит к усилению вечернего и ослаблению утреннего пика ( или наоборот ).

Из рис . 1 можно также увидеть , что прогноз IRI существенно занижает суточный перепад в июле 2003 г . и довольно близок к наблюдениям в июле 2006 г ., что связано с различной зависимостью f 0 F2 от солнеч ной активности для модели и эксперимента .

Различная зависимость f ₀F2 от солнечной ак тивности

Сопоставление годовых вариаций суточного ми нимума f 0 F2 ( f 0 F2 min ) и суточного максимума f 0 F2 ( f 0 F2 max ) позволило выявить следующие закономер ности . Если прогнозируемые и наблюдаемые вариа ции f ₀F2_max находятся в удовлетворительном согла сии , то в вариациях f 0 F2 min имеют место существен ные различия , показанные на рис . 2. Из рис . 2 видно , что в летнее время прогноз IRI завышает наблюдае мые значения f ₀F2_min для 2003–2005 гг . и довольно близок к ним в 2006 г . С другой стороны , в зимнее время прогноз IRI занижает наблюдения начиная с

C уточный минимум f 0 F2 ( МГц )

1Т-----------1------------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1------------1-----------1

2003      2004      2005      2006      2007

Рис . 2. Годовые вариации суточного минимума f ₀F2.

Сплошная линия – наблюдения , штриховая – модель IRI.

2005 г . и довольно близок к ним в 2003 г . Оба типа различия связаны с тем , что наблюдаемый суточный минимум f ₀F2 очень слабо зависит от солнечной ак тивности , в то время как модель IRI предсказывает хорошо выраженную зависимость . Необходимо отме тить , что отсутствие зависимости f 0 F2 от солнечной активности в зимнее ночное время в работе [8] объяс няется тем , что зимой ночная ионизация поддержива ется потоком электронов из плазмосферы и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации .

Различия в сезонных закономерностях f 0 F2

Для изучения сезонных закономерностей ионо сферы исследовались времена появления суточного максимума (LT max ) и суточного минимума (LT min ) критической частоты F2- слоя в зависимости от дня года ( рис . 3). По характеру локализации максимума и минимума в году выделяются три интервала . Для первого ( условно назовем « равноденствием ») ти пично наличие полуденного максимума и предвос - ходного минимума . Во втором интервале ( условно « лето ») максимум смещен на вечерние часы в ре зультате сезонных изменений скорости нейтрально го ветра . Для третьего периода ( условно « зима ») характерно смещение минимума в предполуночный сектор по сравнению с « равноденствием » за счет притока заряженных частиц из плазмосферы . Дли тельность « летнего » интервала , полученная по дан ным наблюдений , больше , чем по модели IRI. С по нижением уровня солнечной активности прогнози руемая по модели IRI длительность « лета » возраста ет , чего не наблюдается . Прогнозируемые границы « зимнего » интервала стабильны , что также не со гласуется с наблюдениями . Этот факт , вероятно , связан с тем , что на величину f 0 F2 в ночной зимней ионосфере кроме притока ионов из плазмосферы и рекомбинации существенное влияние оказывают вариации скорости нейтрального ветра .

Различия в других характеристиках F2- слоя

Основные систематические различия между про гнозом IRI и наблюдениями высоты максимума h m F2 сводятся к завышению моделью дневных зна чений h m F2 ( на 13 км в среднем ) и различной зави симости ночных значений h _mF2 от солнечной актив ности . Модель занижает скорость падения ночных значений h m F2 с уменьшением солнечной активно сти . Различия в форме суточного хода h m F2 не име ют такого систематического характера , как в случае критической частоты f 0 F2.

30   60   90   120 150 180 210 240 270 300 330 360

LTmin , LTmax 2005

Зима

Зима

Лето

30   60   90   120 150 180 210 240 270 300 330 360

LTmin , LTmax 2006

30   60   90   120 150 180 210 240 270 300 330 360

Рис . 3. Времена появления суточного максимума (LT_max, жирная сплошная линия – наблюдения , штриховая – IRI) и суточного минимума (LT_min, тонкая сплошная линия – на блюдения , штриховая – IRI) f ₀F2 в зависимости от дня года .

Ошибка прогноза IRI значений N _e в диапазоне вы сот 200–350 км в большинстве случаев определяется ошибкой прогноза f 0 F2 и h m F2; использование наблю даемых f 0 F2 и h m F2 в качестве входных параметров модели позволяет существенно уменьшить эту ошиб ку . При этом в зимнее дневное время выше h m F2 и в летнее ночное время ниже h m F2 модель существенно завышает наблюдения даже при использовании f 0 F2 и h _mF2 в качестве входных параметров .

Заключение

Исследование морфологических особенностей по ведения электронной концентрации над Иркутском позволило выявить ряд систематических расхожде ний с моделью IRI. На наш взгляд , эти расхождения связаны с региональными особенностями ионосфе ры над Восточной Сибирью и для их объяснений необходимо привлекать физические модели ионо сферы . В работе показано , что для изучения сезон ных закономерностей ионосферы удобно исследо вать времена , соответствующие максимуму и мини муму в суточном ходе f 0 F2. Эти характеристики как функции дня года позволяют естественным образом определить три сезона , различающиеся различной степенью влияния физических процессов в ионо сфере , формирующих суточный ход f 0 F2.