Очень сильные увеличения электронной концентрации в максимуме F2-слоя зимней ночной ионосферы над Иркутском

Ночное увеличение электронной концентрации максимума F2-слоя ионосферы ( N m ) – хорошо известное явление, которое наиболее часто наблюдается на средних широтах зимой в послеполуночные часы при низкой солнечной активности (например, [Farelo et al., 2002]). Из эмпирической модели [Деминов и др., 2009] также следует, что зимнее послеполуночное увеличение N m0 (индекс 0 соответствует спокойным (фоновым) условиям) является регулярной закономерностью спокойной ионосферы над Иркутском. На средних широтах зимой в ночные часы иногда могут наблюдаться очень сильные увеличения N m (более чем в 2 раза) относительно фонового значения N m0 [Park, 1971; Данилов и др., 1985; Mikhailov, Förster, 1999; Richards еt al., 2000; Belehaki, Tsagouri, 2002; Tsagouri, Belehaki, 2002]. Это соответствует кардинальной перестройке ионосферы, поскольку обычно очень сильное увеличение N m / N m0 происходит на фоне ночного зимнего увеличения N m0 . Известные результаты анализа наблюдений N m / N m0 >2 основаны на единичных случаях без статистического анализа частоты возникновения таких событий и зависимости этой частоты от солнечной и геомагнитной активностей [Park, 1971; Данилов и др., 1985; Mikhailov, Förster, 1999; Richards еt al., 2000; Belehaki, Tsagouri, 2002; Tsagouri, Belehaki, 2002].

Такой статистический анализ по данным ст. Иркутск за 1958–1992 и 2002–2009 гг. был основной целью данной работы. Ниже последовательно представлены результаты статистического анализа частоты возникновения условия N m / N m0 >2 и пример экстремально сильного увеличения N m .

Частота возникновения очень сильных уве личений N m F2

Исходными для анализа были ежечасные данные электронной концентрации в максимуме слоя F2 (Nm) ст. Иркутск за 1958–1992 и 2002–2009 гг. для зимы (декабрь и январь) в интервале местного времени 02–04 LT, который соответствует максимуму ночного зимнего увеличения электронной концентрации для фоновых условий. Фоновые значения Nm0 задавались с помощью эмпирической модели f0F2 для спокойных условий над Иркутском [Деминов и др., 2009]. В качестве индикаторов солнечной и геомагнитной активности использованы индексы

F=(2F81+F1)/3 и Apt, где F1 и F81 – поток солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см в предыдущий день и среднее за 81 день значение этого потока (в 10–22 Вт/(м2 Гц)), Apt – средневзвешенное (c характерным временем 11 ч) значение Ap-индекса геомагнитной активности (в нТл). Эти индексы почти не отличаются от использованных в модели [Деминов и др., 2009].

В табл. 1 приведены результаты статистического анализа частоты возникновения условия N m / N m0 >2 над Иркутском ( n / N ) в интервалах ( n / N ) 1958–1992, 2002–2009 гг. зимой в ночные часы (02–04 LT) при низкой ( F <100), средней (100< F <170) и высокой ( F >170) солнечной активности в периоды низкой геомагнитной активности ( A pt <7 нТл), магнитосферных суббурь (7< A pt <27 нТл) и бурь ( A pt >27 нТл) и без разделения по уровню геомагнитной активности (все A _pt), где п – число таких увеличений из полного числа измерений N . Из табл. 1 можно видеть, что суммарное число наблюдений N равнялось 6960, из них только в 136 случаях выполнялось условие N m / N m0 >2, т. е. в среднем это условие реализовывалось примерно в 2 % случаев наблюдений. Значительная часть наблюдений N m / N m0 >2 соответствовала периодам суббурь. Очень сильные увеличения N m при низкой

Таблица 1

Частота появления ( n / N ) очень сильных увеличений N _m над Иркутском зимой в ночные часы (02–04 LT) для различ ных интервалов солнечной ( F ) и геомагнитной ( A _pt, нТл ) активности

F (n/N) 100, % N Apt<7 727 все Apt F<100 0.6 1.4 0.0 2.0 3113 100170 0.2 2.2 0.6 3.0 1779 геомагнитной активности чаще соответствовали низкой солнечной активности. Такие увеличения Nm в периоды магнитных бурь наблюдались только при высокой солнечной активности.

В анализируемых интервалах 1958–1992, 2002– 2009 гг. зимой в ночные часы суббури возникали наиболее часто (59 % случаев), низкая геомагнитная активность наблюдалась реже (34 % случаев), бури – очень редко (7 % случаев). По-видимому, в этом одна из причин того, что в среднем очень сильные увеличения N m часто возникают в периоды суббурь, реже – при низкой геомагнитной активности и очень редко – в периоды бурь. Тем не менее, нет полного соответствия между частотой наблюдения очень сильных ночных увеличений N _m при определенном уровне геомагнитной активности и вероятностью возникновения этой активности. Например, при низкой геомагнитной активности частота возникновения условия N m / N m0 >2 и вероятность возникновения этой активности увеличиваются при переходе от высокой к низкой солнечной активности, но для частоты возникновения условия N m / N m0 >2 такое увеличение более значительно. Следовательно, существует дополнительная причина повышенной частоты возникновения условия N _m/ N _m0>2 при низкой солнечной и геомагнитной активности, которая не связана с вероятностью возникновения этих ге-лиогеофизических условий. Поиск этой дополнительной причины – предмет будущих исследований.

В табл. 2 (для анализируемого интервала 1958– 1992, 2002–2009 гг.) приведены даты наблюдения очень сильных увеличений N m над Иркутском зимой в ночные часы при низкой солнечной активности, значения уровней солнечной и геомагнитной активности и максимальные в интервале 19–21 UT величины N _m/ N _m0 в эти дни. Отметим, что для ст. Иркутск 19–21 UT примерно равно 02–04 LT. Приведенные в таблице данные подтверждают результаты статистического анализа: зимой при низкой солнечной активности очень сильные ночные увеличения N m соответствовали спокойным периодам или периодам суббурь (0 ≤ A pt ≤ 24 нТл). Наиболее сильные увеличения N m зарегистрированы 11.12.1965 г. ( N m / N m0 =2.65), 15.12.1986 г. ( N m / N m0 =2.81) и 19.12.2008 г. ( N m / N m0 =2.92), причем самое сильное увеличение N m / N m0 наблюдалось при самой низкой солнечной и геомагнитной активности: F =79, 73 и 69, A pt =13, 12 и 03 нТл для 11.12.1965, 15.12.1986 и 19.12.2008 г. соответственно. Дополнительный анализ показывает, что для очень широкого диапазона изменений солнечной активности ( F <230) без ограничения по уровню геомагнитной активности, т. е. почти

Таблица 2

Очень сильные ночные (19–21 UT, 02–04 LT) увеличе ния концентрации максимума F2- слоя ( N _m/ N _m0>2) зимой над Иркутском при низкой солнечной активности ( F <100) без ограничения по уровню геомагнитной ак тивности ( A _pt, нТл )

Дата F Apt Nm/Nm0 09.12.1962 83 07 2.53 11.12.1962 81 10 2.34 13.01.1963 80 15 2.29 11.12.1965 79 13 2.65 12.12.1965 79 12 2.55 05.01.1966 82 13 2.41 06.12.1973 81 19 2.48 21.01.1975 78 09 2.06 07.01.1976 74 19 2.03 18.12.1976 76 19 2.53 08.01.1977 76 06 2.01 07.01.1985 74 05 2.03 19.01.1986 76 06 2.56 15.12.1986 73 12 2.81 19.12.1986 73 07 2.21 20.12.1986 73 07 2.11 22.12.1986 73 14 2.11 16.01.1987 72 08 2.58 29.12.2004 99 24 2.07 20.12.2005 88 16 2.29 01.01.2006 86 12 2.13 29.01.2007 82 08 2.16 19.12.2008 69 03 2.92 24.12.2008 69 13 2.37 10.01.2009 70 07 2.35 09.12.2009 75 01 2.16 10.12.2009 76 00 2.53 20.12.2009 80 02 2.01 26.12.2009 77 05 2.16 31.12.2009 79 00 2.36 02.01.2010 79 01 2.05 для всего анализируемого массива данных, условие Nm/Nm0≥2.9 было выполнено только 19.12.2008 г.

Анализ показал, что увеличение N _m в ночные часы 19.12.2008 г. было настолько сильным, что ночной максимум N _m достиг фоновых значений дневного максимума N m . Такая ситуация названа экстремальным увеличением N m в ночные часы зимой. Отметим, что экстремальное увеличение N m не наблюдалось ни в одном из случаев, приведенных в работах [Park, 1971; Данилов и др., 1985; Mikhailov, Förster, 1999; Richards еt al., 2000; Belehaki, Tsagouri, 2002; Tsagouri, Belehaki, 2002], т. е. ночной максимум N m обычно был отчетливо меньше типичного для спокойных условий дневного максимума N _m. Ниже приведены свойства и качественный анализ возможных причин экстремального увеличения N _m.

Экстремальное увеличение N _mF2

Для анализа свойств экстремального увеличения N m = N m F2 19.12.2008 г. были взяты N m и высоты h m максимума F2-слоя. По этим данным были вычислены их спокойные медианы ( N m0 и h m0 ), т. е.

медианные значения для геомагнитно-спокойных условий:

Apt<7 нТл, AEmax<300 нТл, где AEmax – максимальное значение 15-минутного AE-индекса за предыдущие 6 ч. Исходными для вычисления этих индексов были трехчасовые данные Ap и одноминутные данные AE, взятые на сайте Эти спокойные медианы были использованы в качестве фоновых значений параметров максимума F2-слоя.

Флуктуации параметров максимума F2-слоя включают высокочастотную (на временах меньше 1– 3 часов) и низкочастотную (ото дня ко дню) составляющие. Предварительный анализ показал, что свойства экстремально сильного увеличения N m определяются в основном низкочастотной составляющей флуктуаций. Поэтому для анализа использованы скользящие средние за 2.25 ч (данное мировое время, предыдущие и последующие четыре 15-минутных интервала) N m , N m0 и h m , h m0 .

Эти параметры максимума F2-слоя для 18–19 декабря 2008 г. совместно с вертикальной составляющей межпланетного магнитного поля ( B _z ММП) вблизи Земли и AE -индексом геомагнитной активности приведены на рисунке. В Иркутске UT=0 ч соответствует LT=6.93 ч и первая половина суток по мировому времени соответствует в основном дневным часам, а вторая половина – ночным часам местного времени. Видно, что 18 декабря параметры максимума F2-слоя почти не отличались от фоновых. Днем 19 декабря N m была повышенной, а h m не отличалась от фонового значения. Увеличение N m усилилось при переходе от дневных к ночным часам и достигло значений N _m/ N _m0=2.4–3.0 в послеполу-

Иркутск, 18-19.12.2008

18             19

Дни декабря 2008 г. по UT

B _z ММП , AE - индекс геомагнитной активности , парамет ры максимума F2- слоя N _m и h _m ( толстые линии ) и их медиа ны для спокойных условий ( тонкие линии ).

ночные часы. Ночной максимум N _m 19 декабря точно совпал с дневным максимумом N _m0 для спокойных условий и слабо отличался от дневного максимума N m 18 декабря. Это и есть экстремальное увеличение N m зимой в ночные часы. На рисунке видно также, что увеличение N m в ночные часы 19 декабря сопровождалось уменьшением h m .

Интервал 18–19.12.2008 г. был типичным для спокойных геомагнитных условий: A pt < 4 нТл, A p < 5 нТл, слабые суббури наблюдались достаточно часто, и наиболее интенсивная из них с AE =286 нТл произошла 19.12.2008 г. Солнечная активность была почти постоянной в этом интервале времени ( F = 69). Экстремальное увеличение N m сопровождалось опусканием F2-слоя, что не характерно для наблюдаемых в ночные часы ионосферных эффектов крупномасштабных внутренних гравитационных волн (ВГВ), генерируемых в авроральной области во время суббурь [Hocke, Schlegel, 1996; Deminova et al., 1998]. Поэтому солнечная активность и крупномасштабные ВГВ не могли быть причинами такого увеличения N m .

Экстремальное увеличение Nm могло быть обусловлено наложением нескольких причин. Одной из этих причин, по-видимому, является изменение состава термосферы: увеличение отношения A=[O]/[N2]P при неизменном произведении B=[O][N2], где [O] и [N2] – концентрации атомарного кислорода и молекулярного азота на фиксированной высоте в области максимума F2-слоя (например, на высоте 300 км), показатель степени P=16/28. Такое изменение состава термосферы приводит к увеличению Nm при почти неизменной hm, если учесть, что коэффициент рекомбинации ионов атомарного кислорода Р~[N2] (см., например, [Кринберг, Тащилин, 1984; Деми-нов, 2008]). Увеличение A при почти неизменном B, по-видимому, началось в дневные часы 19 декабря, что привело к повышению Nm без изменения hm относительно фонового значения (см. рисунок). Такое изменение состава термосферы, видимо усилилось при переходе к ночным часам 19 декабря, что привело к дальнейшему росту Nm. На рисунке видно, что 19 декабря при переходе от дневных к ночным часам вертикальная составляющая межпланетного магнитного поля Bz повернулась с севера (Bz>0) на юг (Bz<0), что обычно приводит к увеличению западной составляющей электрического поля Ey в ночные часы на средних широтах [Akasofu, 1981; Ляцкий, Мальцев, 1983]. В ночные часы увеличение Ey приводит к опусканию F2-слоя и увеличению Nm [Park, 1971; Mikhailov, Förster, 1999]. Наблюдаемые в ночные часы 19 декабря опускание F2-слоя и дополнительное увеличение Nm могли быть вызваны этой причиной. Еще одной причиной повышенных значений Nm в ночные часы 19 декабря могло быть возрастание потока плазмы из плазмосферы из-за увеличения Nm в магнитосопряженной (летней) ионосфере, поскольку параметры ночной зимней ионосферы существенно зависят от величины этого потока [Кринберг, Тащилин, 1984]. Полученные по Интернет ( данные ст. Канберра (35.3° S, 149° E) косвенно подтверждают это предположение: 19 декабря в интервале 05–10 UT значения f0F2 были выше месячной медианы на 0.3–1.0 МГц. Наложение перечисленных причин, по-видимому, могло привести к экстремальному увеличению Nm над Иркутском ночью 19 декабря. Приведенная интерпретация экстремального увеличения Nm даже на качественном уровне является предварительной, и необходимы специальные исследования для определения природы этого редкого явления.

Выводы

Проведенный анализ свойств очень сильных увеличений концентрации максимума F2-слоя N _m (более чем в 2 раза относительно фонового значения) зимой в ночные часы (02–04 LT) по данным ст. Иркутск за 1958–1992, 2002–2009 гг. позволяет сделать следующие выводы.

• 1.    Очень сильные увеличения N m в среднем наблюдались в 1–3 % случаев. Такие увеличения N m наиболее часто соответствовали периодам магнитосферных суббурь, реже – периодам низкой геомагнитной активности и очень редко – периодам бурь. При низкой геомагнитной активности они чаще соответствовали низкой солнечной активности. В периоды магнитных бурь такие увеличения N _m наблюдались только при высокой солнечной активности. Относительная частота возникновения очень сильных увеличений N m при определенном уровне геомагнитной активности в значительной степени определяется вероятностью наблюдения этой активности, но не является единственной причиной наблюдаемых свойств этой частоты.

• 2.    Наиболее ярким примером очень сильного увеличения N _m является событие 19.12.2008 г., когда ночной максимум N _m достиг значения, характерного для дневного максимума N _m. Такое экстремальное увеличение N m могло быть следствием наложения нескольких причин: изменения состава термосферы, увеличения западной составляющей электрического поля на средних широтах из-за поворота B z ММП с севера на юг, увеличения концентрации электронов в сопряженной (летней) ионосфере. Эта интерпретация экстремального увеличения N m даже на качественном уровне является предварительной.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 11-05-00200-а и № 11-05-00908-а).