O связи между повышением ночной зимней ионизации в среднеширотном F2-слое и стратосферными потеплениями

Ночная зимняя аномалия (НЗА) – хорошо известное явление, часто наблюдаемое практически на всех широтах в зимнее время. Она проявляется как значительное повышение электронной концентрации и полного электронного содержания относительно их медианных значений [Jakowski et al.,1991; Jakowski, Förster, 1995; Farelo et al., 2002]. Появление НЗА может быть обусловлено различными ионосферными процессами: увеличением потоков плазмы из протоносферы, связанных с явлениями в сопряженной области ионосферы, изменением параметров термосферы и нейтральных ветров ото дня ко дню, усилением активности планетарных и приливных волн и др. Разделяют два вида проявления НЗА: предполуночный максимум, который приходится на 22–23 ч местного времени (LT), и послепо-луночный, который наступает в 02–03 LT. На большом объеме ионосферных данных, полученных с 53 ионосферных станций в течение четырех циклов солнечной активности, в [Farelo et al., 2002] проведено всестороннее статистическое исследование появлений предполуночного и послеполуночного максимумов. Анализ показал, что вероятность их появления и амплитуда в разной степени зависят от сезона, геомагнитной широты и цикла солнечной активности, что, очевидно, указывает на различные механизмы их образования. Было показано, что вероятность образования послеполуночного максимума выше, чем предполуночного, и его наибольшая амплитуда наблюдается зимой при низкой солнечной активности. Деминовым и др. [2011] были выделены примеры экстремальных повышений электронной концентрации в ночные часы, когда значения электронной концентрации почти в два раза превышали фоновый уровень. Такие случаи экстремально высоких НЗА редки и составляют не более 1–3 % от общего числа измерений. Они наблюдались при спокойных и слабых магнитных возмущениях. Анализ вариаций критических частот, выпол- ненный для среднеширотных станций Новосибирск (54.8° N, 83.2° E), Иркутск (52.5° N, 104.0° E) и Хабаровск (48.5° N, 135.1° E) по данным за 2002–2010 гг., показал, что в указанных пунктах отмечались случаи регистрации послеполуночного НЗА в одни и те же или соседние сутки [Пирог и др., 2010]. Следовательно, появление НЗА на этих станциях может иметь общую природу и обусловливаться процессами планетарного масштаба, например, усилением активности внутренних гравитационных волн (ВГВ), которое, в свою очередь, может быть связано со стратосферными потеплениями, наблюдающимися почти каждую зиму, наиболее часто – в Северном полушарии.

Возникновение стратосферных потеплений в настоящее время объясняется волновой теорией, согласно которой основным механизмом считается усиление активности планетарных волн (ПВ) [Matsuno, 1971], распространяющихся вверх из тропосферы в стратосферу. На высотах стратосферы эти волны, взаимодействуя со средним зональным ветровым потоком, трансформируют зональную и меридиональную циркуляцию, активизируют вертикальный перенос, в результате чего происходит аномальное нагревание стратосферы и охлаждение мезосферы [Labitzke, 1981; Labitzke, Kunze, 2009]. Возмущения термодинамического режима во время сильных зимних стратосферных потеплений охватывают большой диапазон высот – от тропосферы до стратосферы и верхней мезосферы. Согласно экспериментальным данным, зимние стратосферные потепления могут оказывать влияние на термосферу на высотах до 140 км [Funke et al., 2010] и на распределение параметров ионосферы, особенно в приэкваториальной области. Об этом свидетельствуют результаты наблюдения эмиссий ночного неба [Фишкова, 1978], аномальные изменения скорости вертикального дрейфа и ионных температур, зарегистрированные c помощью радаров некогерентного рассеяния в периоды сильных стратосферных поте- плений [Goncharenko, Zhang, 2008; Goncharenko et al., 2010]. Используя данные о распределении критических частот (f0F2) и высоты максимума слоя F2 (hmF2), полученные с помощью Constellaction Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) в периоды стратосферных потеплений в 2007–2008 и 2008–2009 гг., в работе [Pancheva, Mukhtarov, 2011] обнаружено, что в ионосфере регистрируется уменьшение среднесуточных значений ионосферных характеристик в следующие несколько суток после регистрации температурного максимума.

Целью данной работы является исследование ва риаций параметров ионосферы во время страто сферных потеплений и изучение возможной связи появления экстремальных случаев НЗА со страто сферными потеплениями .

Анализ экспериментальных данных

Для анализа использованы данные вертикального зондирования, полученные на ст. Иркутск с помощью цифрового ионозонда DPS-4 в течение 2005– 2010 гг. с 15-минутным интервалом зондирования. Из всего объема данных были выбраны случаи аномально высоких значений НЗА, даты которых взяты из работы [Деминова и др., 2011] и приведены в табл. 1 вместе с сопутствующими геофизическими параметрами: потоком солнечного радиоизлучения на волне 10.7 см (в 10–22 Вт/(Гц∙м2)) и среднесуточным индексом геомагнитной активности Ар. Информация о температуре нижней атмосферы на высотах 30–80 км получена с помощью сканирующего сверхвысокочастотного лимбового зонда MLS, установленного на борту космического аппарата Aura [ data-holdings/MLS]. Наступление стратосферных потеплений определялось по картам высотно-временных распределений температуры, построенным по данным MLS AURA для региона Иркутска, а также по картам глобального распределения температуры стратосферы, полученным в Институте метеорологии при Берлинском университете [ produkte/winterdiagnostics/]. Как следует из таблицы, крайне сильные НЗА появляются во время интенсивных стратосферных потеплений. Рассмотрим несколько примеров экстремальных проявлений НЗА во время стратосферных потеплений в декабре 2008 г. – январе 2009 г. и декабре 2009 г. – январе 2010 г. Эти зимние периоды дают уникальную возможность исследования воздействия нижележащей атмосферы на характеристики ионосферы, так как характеризуются крайне низким уровнем солнечной активности и отсутствием сильных магнитных возмущений.

Декабрь 2008 г . – январь 2009 г .

На рис . 1 приведено распределение температур для широты Иркутска на высотах 30–80 км в декаб ре 2008 г . – январе 2009 г . Эти месяцы характеризу ются в основном спокойными геомагнитными усло виями и крайне низкими уровнями солнечной ак тивности : индекс солнечного радиоизлучения не превышал 70. Можно выделить три временных интер вала , в которые регистрировалось увеличение темпе -

■ *' ^ r4

5    10    15    20    25   30

Январь 2009

Дни месяцев

Декабрь 2008

5    10    15   20    25    30

Рис . 1 . Распределение температур на высотах 30–80 км в декабре 2008 г. – январе 2009 г.

ратуры на высотах 40–60 км : 3–20 декабря с наибо лее выраженным максимумом 7–11 декабря , 24 де кабря – 9 января ( максимум 1–5 января ) и 13–25 ян варя с максимумом 19–22 января , причем последний интервал характеризовался наиболее сильным рос том температуры .

На рис . 2 представлены суточные вариации кри тических частот ( f 0 F2 ) за этот же период . Несмотря на крайне низкий уровень солнечной и геомагнит ной активности , величины f 0 F2 меняются в широких пределах . Для некоторых суток (19–20, 24–25 де кабря , 10 января ) послеполуночные значения f ₀F2 достигали 4 МГц и более при медианном значении 3 и 2.8 МГц для декабря и января соответственно . Рост полуночных значений электронной концентра ции хорошо заметен на рис . 3. Видно , что повыше ния электронной концентрации охватывают не только максимум слоя , но и области выше него .

Для этого же временного интервала на рис . 4 при ведены вариации температуры на уровне 30 км и из менения полуденных , среднесуточных и послеполу - ночных значений критических частот . Заметно , что в следующие 1–2 сут после наступления максимума стратосферной температуры наблюдается уменьшение среднесуточных значений f ₀F2, спустя семь - восемь дней после начала возрастания температуры наблюда ется рост среднесуточных и послеполуночных величин f 0 F2. Следует отметить , что отклик полуденных значе ний критических частот запаздывает относительно послеполуночных и среднесуточных значений . Даль нейший спад и рост температуры сопровождался уве личением амплитуды вариаций критических частот , и в послеполуночных значениях ее изменения выражены сильнее . В вариациях указанных величин можно вы делить волновые структуры с периодами несколько суток , амплитуда которых меняется после изменения температуры на стратосферных высотах .

Декабрь 2009 г . – февраль 2010 г .

Стратосферные потепления в зимний сезон де кабря 2009 г . – февраля 2010 г . происходили во вре мя роста солнечной активности , ее вариации были выражены сильнее , поток солнечного радиоизлуче ния менялся от 67 до 92. Уровень магнитной возму - щенности был низким , как и в предыдущем рас смотренном случае . Наиболее высокие температуры на высоте 30 км регистрировались в начале и конце декабря 2009 г ., в последней декаде января и первой

1 । 2 । 3 । 4 । 5 ] 6 । 7 । 8 । 9 110111112113 114,15 116 117,18119120121,22123124125 126 127 128129130 131 ,

Дни месяца

Рис . 2 . Временной ход критических частот в декабре 2008 г. – январе 2009 г. (Иркутск). Случаи появления высоких f ₀F2 в ночные часы отмечены стрелками

Рис . 3 . Распределение ночных значений электронной концентрации на высотах 200–500 км в декабре 2008 г. – январе 2009 г.

Рис . 4 . Вариации температуры на высоте 30 км ( а ) и критических частот ( б ) в декабре 2008 г. – январе 2009 г.: 1 – полуденные, 2 – среднесуточные, 3 – послеполуноч-ные значения.

декаде февраля 2010 г . На рис . 5 представлены вариа ции критических частот для этого интервала . Видно , что в послеполуночные часы наиболее высокие значе ния критических частот , достигавшие 4 МГц и выше , регистрировались 8–11, 20–21, 25–26 и 31 декабря , 2,

4, 7–8 января , 28, 30 января и 3–5, 12, 15, 20–21 и 26 февраля , в то время как медианные значения равны 3.2 и 3.4 МГц для января и февраля соответствен но . Как и в предыдущем случае , повышенные зна чения электронной концентрации в ночные часы характерны для всего высотного диапазона 200– 500 км . Рисунок 6 иллюстрирует изменение темпе р атур ы на высоте 30 км и вариации среднесуточных , полуденных и послеполуночных критических частот в Иркутске в течение декабря 2009 г . – февраля 2010 г . Наблюдается рост выбранных параметров с задерж кой в несколько дней после повышения стратосфер ной температуры 29 ноября – 2 декабря 2008 г . В по следующие дни был зарегистрирован медленный спад температуры с незначительными повышениями в отдельные дни . В вариациях частот наблюдались ко лебания с периодами несколько суток , повышенные величины послеполуночных критических частот ( f ₀F2>4 МГц ) регистрировались 20–22 декабря . Сле дующее длительное возрастание стратосферной темпе ратуры началось 18 января и продолжалось до 7 февра ля . Стратосферная температура на высоте 30 км дос тигла максимума 27–30 января . В период с 31 января по 12 февраля наблюдались высокие значения f 0 F2 в послеполуночные часы . Если сопоставить время на ступления максимума температуры и критических частот в январе – феврале 2010 г ., то задержка составля ет около двух недель . Можно отметить , что послепо - луночные критические частоты также демонстрируют большую изменчивость по амплитуде и меньшее время задержки относительно даты начала роста температуры . В вариациях указанных ионосферных характеристик также присутствуют волновые структуры с периодами несколько суток с постоянно меняющейся амплитудой .

Таким образом , анализ данных о вариациях тем пературы на высотах стратосферы и критических частотах слоя F2 позволяет сделать вывод о том , что отклик f 0 F2 после повышения стратосферной темпе ратуры в Иркутске регистрируется спустя несколько суток . Задержка может составлять от 2–3 сут до двух недель . В вариациях критических частот присутст вуют колебания с периодами несколько суток .

Дни месяца

Рис . 5 . Вариации f ₀F2 в течение декабря 2009 г. – февраля 2010 г.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Дни от 1 декабря 2009 г.

Рис . 6 . Вариации температуры на высоте 30 км ( а ) и критических частот ( б ) в декабре 2009 – январе 2010 г.: 1 – полуденные, 2 – среднесуточные, 3 – послеполуночные значения.

Обсуждение результатов

Известно , что особенности температурного и ветро вого режима тропосферы и стратосферы препятству ют непосредственному проникновению планетар ных волн ( ПВ ) на высоты ионосферы . В вариациях ионосферных характеристик обнаружены колеба ния с периодами ПВ (2–30 сут ), и их исследова нию посвящено большое количество обзоров и оригинальных исследований [Pancheva et al., 1991; Altadill, 2000, Pancheva et al., 2002; Laštovi č ka et al., 2003; Laštovi č ka, 2006; Mukhtarov et al., 2010; Вергасова и др ., 2009, 2010].

Одним из возможных механизмов передачи энергии волновой активности на ионосферные высо -

Таблица 1

Даты регистрации высоких значений ночной ионизации

Дата F Ap 20.12.2005 88 16 01.01.2006 86 12 29.01.2007 82 08 19.12.2008 69 03 24.12.2008 69 13 10.01.2009 70 07 09.12.2009 75 01 10.12.2009 76 00 20.12.2009 80 02 26.12.2009 77 05 31.12.2009 79 00 02.01.2010 79 01 ты может служить модуляция ПВ амплитуд суточных и полусуточных приливов, которые легко проникают до ионосферных высот [Pancheva et al., 2002; Pancheva, Mukhtarov, 2011]. Их амплитудные и фазовые характеристики имеют сезонную зависимость. Для проверки этой гипотезы мы использовали методику спектрального анализа, изложенную в [Zolotukhina et al., 2011]. Из непрерывного ряда данных о критических частотах и высотах максимума слоя были выделены гармоники с периодами 12, 24 ч и с периодами больше 24 ч. На рис. 7 приведены результаты спектрального анализа f0F2 для временного интервала с 5 декабря 2008 г. по 2 января 2009 г. Этот рисунок демонстрирует, что в конце декабря 2008 г. в вариациях критических частот и высоты максимума слоя присутствуют колебания с периодами от 2 до 5 сут (верхняя панель), причем в колебаниях высоты максимума они регистрируются

340 342 344 346 348 350 352 354 356 358 360 362 364 366 368

День года

Рис . 7 . Результаты спектрального анализа вариаций f ₀F2 и h _mF2: нижняя панель – полусуточная гармоника, средняя панель – суточная гармоника, верхняя панель – колебания с периодами планетарных волн.

Результаты спектрального анализа вариации f ₀F2

Таблица 2

Дата	f 0 F2 исходный		T >24 ч		T =24 ч		T =12 ч (1)		T =12 ч (2)
	f 0 F2	UT	f 0 F2	UT	f 0 F2	UT	f 0 F2	UT	f 0 F2	UT
29.12.04	8.16	04:00	4.58	21:00	2.07	05:15	1.46	06:00	1.37	18:15
20.12.05	9.29	05:15	4.83	17:15	2.3	05:15	1.32	05:30	1.32	17:30
01.01.06	8.65	04:15	5.25	16:00	1.8	05:00	1.23	05:15	1.15	17:30
29.01.07	5.96	06:45	4.56	20:00	1.32	05:00	0.8	05:45	0.82	17:45
19.12.08	6.56	07:15	4.68	16:15	0.92	04:15	0.93	05:45	0.81	17:45
24.12.08	6.32	06:15	4.54	16:00	1.1	04:15	0.91	05:45	0.93	17:45
10.01.09	6.24	06:00	4.24	20:45	1.25	04:15	1.06	05:45	0.97	18:00
09.12.09	6.16	05:00	4.32	13:45	0.73	04:45	0.74	05:00	0.89	17:15
26.12.09	6.48	03:45	4.47	16:15	0.98	04:15	0.74	05:15	0.82	17:30
31.12.09	5.77	06:45	4.28	19:30	0.90	04:00	0.94	05:30	0.87	17:30
02.01.10	5.76	04:45	4.10	16:00	0.96	03:45	0.90	05:45	0.96	17:45

примерно на 2 сут раньше , чем в вариациях критиче ских частот . Максимальная амплитуда планетарных волн наблюдается в те самые дни , когда наблюдаются случаи высоких значений НЗА . Амплитуды суточной и полусуточных гармоник модулированы колебаниями с периодами ПВ (3–10 сут ). Когда фазы колебаний с периодами ПВ близки к фазам полусуточных колеба ний , то амплитуды полусуточных колебаний усилива ются , что и определяет повышение ночной ионизации .

В табл . 2 приведены результаты разложения вариаций критических частот слоя для всех выбранных интервалов, во время которых регистрировались случаи высоких значений НЗА. Во втором столбце приведены исходные данные максимальных величин f0F2 и время регистрации этого максимума. В последующих столбцах представлено время появления максимальных значений f0F2 и соответствующие им значения критических частот для выделенных гармоник. Можно видеть, что для большинства случаев регистрации НЗА время наступления максимумов амплитуд колебаний с периодами ПВ близко к времени появления максимума второй полусуточной гармоники, что определяет высокие ночные значения критических частот.

Итак , на основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы :

• 1.    Активность планетарных волн , усиливающаяся в периоды стратосферных потеплений , может воздейст вовать на суточные и полусуточные гармоники термо сферы и ионосферы . В случае совпадения фазы этих колебаний амплитуда полусуточных гармоник может усиливаться , что приводит к появлению высоких ноч ных значений электронной концентрации . Анализ по казал , что появление крайне высоких значений ночной ионизации может быть обусловлено увеличением ам плитуды второй полусуточной гармоники , проявляю щейся как в вариациях критических частот , так и в вариациях высоты максимума слоя .

• 2.    Таким образом , зимние стратосферные потеп ления служит одной из причин появления НЗА , что является дополнительным свидетельством влияния нижней атмосферы на распределение электронной концентрации на высотах F2- слоя .

Работа выполнена в рамках проекта № ОНЗ -8.2 « Исследование отклика ионосферы на экстремаль ные явления в нейтральной атмосфере в азиатском долготном секторе » и при поддержке грантов РФФИ № 11-05-00892 и № 11-05-00908.