Отклик среднеширотной ионосферы на экстремальные геомагнитные бури 23 солнечного цикла

Согласно современным представлениям [1–4], ос новной причиной отклика среднеширотной ионосфе ры на геомагнитные бури являются изменения в верх ней нейтральной атмосфере ( термосферная буря ). Ис точником термосферной бури является нагрев атмо сферы в высоких широтах [5]. В результате нагрева создается область возмущенного нейтрального состава ( пониженное отношение O/N 2 относительно невозму щенных условий ), происходят изменение глобальной термосферной циркуляции ( ослабление полярных вет ров в дневное время и усиление экваториальных но чью ), а также генерации распространяющихся к эква тору перемещающихся атмосферных возмущений ( ПАВ ) и атмосферных гравитационных волн ( АГВ ). Возмущение нейтрального состава приводит к умень шению электронной концентрации из - за возрастания скорости рекомбинации . Изменения глобальной цир куляции и ПАВ вызывают подъем ионосферного слоя , что в освещенное время суток ведет к увеличению электронной концентрации при условии отсутствия возмущенности ( или слабой возмущенности ) ней трального состава . В итоге возмущение электронной концентрации зависит от степени распространения возмущенного нейтрального состава в экваториальном направлении . Наиболее благоприятные условия для экваториального распространения реализуются в ноч ное время благодаря фоновому экваториальному вет ру , наименее благоприятные – в дневное время зимой из - за фонового полярного ветра . В летнее дневное время экваториальное проникновение возмущенного нейтрального состава больше , чем зимой , из - за более слабого полярного ветра .

Наряду с термосферным источником к существенным изменениям ионосферных параметров может приводить проникновение в средние широты электрического поля магнитосферного происхождения [1–4]. При этом проникновение электрического поля может приводить как к увеличению электронной концентрации вследствие подъема ионосферного слоя [3, 4], так и к ее уменьшению в результате возрастания скорости рекомбинации [1, 2].

В настоящей работе анализируются ионосферные отклики в районе Иркутска (52.3° N, 104.3° E) на наиболее мощные геомагнитные бури 23 солнечного цикла на основе данных Иркутского радара некогерентного рассеяния (РНР) [6] и цифрового ионозонда вертикального зондирования DPS-4 [7]. В качестве ионосферного отклика рассматривалось отклонение параметров от невозмущенного уровня, т. е. от месячных медиан, либо от значений, полученных в спокойный день. В качестве параметров выбраны значения максимума электронной концентрации (NmF2) и электронной температуры на высоте 350 км (Te). Целью исследования ионосферных откликов является проверка соответствия сценария вариаций ионосферных параметров концепции термосферной бури, а также анализ влияния электрического поля магнитосферного происхождения. Индикатором проникновения в средние широты сильного электрического поля является регистрация на РНР когерентного эхо (радиоавроры) [8]. В соответствии с [5] в качестве индикатора нагрева атмосферы в высоких широтах использованы вариации AE-индекса, полученные из центра данных World Data Center C2, Kyoto .

Всего было проанализировано восемь геомаг нитных бурь , характеристики которых ( дата , сум марный K p - индекс ( Σ K p ), максимальный K p - индекс (Max K p ), интервал , соответствующий Max K p , и интервал наблюдения когерентного эхо представле ны в таблице .

Характеристики геомагнитных бурь

Дата	Σ K p	Max K p	LT → Max K p	Интервал наблюде ния когерентного эхо (LT)
25.09.1998	48	8+	13–16	15:30–18:30
15.07.2000	50	9	01-04	02:00–07:50
20.03.2001	44	7+	19–22	–
19.04.2002	42	7–	01–04	–
29.10.2003	58+	9	13–16	19:00–07:30
10.11.2004	56+	9–	13–16	14:00–17:30
18.01.2005	48+	8–	13–16	–
11.09.2005	50+	8–	13–16	15:30–18:30

Анализ вариаций N m F2

В пяти случаях (20.03.2001, 19.04.2002, 15.07.2000, 18.01.2005, 11.09.2005) из восьми ионо сферный отклик на геомагнитные бури может быть интерпретирован в рамках концепции термосферной бури . Эти пять событий можно разбить на две группы с близкими свойствами .

На рис. 1 представлены вариации относительных возмущений максимума электронной концентрации ΔNm/Nm для геомагнитных бурь 20.03.2001, 15.07.2000 и 18.01.2005. В начальный период каждых суток (по UT) наблюдается отрицательная фаза возмущения (ΔNm/Nm<0), обусловленная нахождением станции в области возмущенного нейтрального состава, связанного с авроральной активностью в ночное время предыдущих суток. Наиболее быстро отрицательная фаза заканчивается для зимней бури 18.01 (09 LT), а наиболее поздно – для летней 15.07 (16 LT). Положительная фаза (ΔNm/Nm>0) наблюдается во время зимней бури 18.01 (09–20 LT, max ΔNm/Nm ~ 190 %) и во время бури в период равноденствия 20.03 (15–23 LT, max ΔNm/Nm~ 40 %). Импульсный характер положительного возмущения 18.01 обусловлен ПАВ, генерированными двумя вспышками авроральной активности (7–12 и 14–18 LT). Плавный характер положительного возмущения 20.03 связан с ослаблением полярного ветра благодаря авроральной активности в дневное время. Во время летней бури 15.07 в дневное и вечернее время наблюдается так называемая «мертвая зона» [2], когда увеличение Nm, связанное с ослаблением полярного ветра, компенсируется уменьшением, связанным с возмущением нейтрального состава. Для всех бурь характерна вторая отрицательная фаза, обусловленная экваториальным перемещением области возмущенного нейтрального состава, связанного с авроральной активностью в ночное время суток. Для бурь в период равноденствия и летом вторая отрицательная фаза начинается около 23 LT, для зимней бури – в 02 LT. Во время бури 15.07 c 2 до 07:50 LT на РНР было зафиксировано мощное когерентное эхо, в этот период времени наблюдалось экстремальное отрицательное возмущение (ΔNm/Nm ~ –90 %). Таким образом, наиболее интенсивная и продолжительная поло- жительная фаза наблюдалась для зимней бури, летняя буря характеризовалась наиболее интенсивной и продолжительной отрицательной фазой, что полностью соответствует концепции термосферной бури [5].

На рис . 2 представлены вариации Δ N m / N m для гео магнитных бурь 25.09.1998, 10.11.2004 и 29.10.2003. Каждая из них является последней в серии из трех мощных бурь . Сценарий обеих бурь развивается на фоне мощного отрицательного возмущения (~ –60 % в полдень ). Отрицательный фон , по всей видимости , связан с возмущением нейтрального состава , которое , в свою очередь , является следствием смены направ ления меридионального ветра из - за предшествующе го продолжительного и интенсивного нагрева атмо сферы в высоких широтах . Следует отметить , что для обеих бурь характерно отсутствие откликов на вспышки авроральной активности в дневное время за исключением интервала 14–16 LT 10.11.2004, ко гда наблюдается положительное возмущение от носительно отрицательного фона . Возможно , при чиной этого возмущения является дрейфовый подъем ионосферного слоя , обусловленный про никновением в средние широты магнитосферного электрического поля ( возмущение лежит внутри интервала наблюдения когерентного эхо (14–17:30 LT)). В то же самое время для бури 25.09.1998 на блюдение когерентного эха (15:30–18:30 LT) сопро вождается лишь незначительным увеличением элек тронной концентрации .

Рис . 1. Относительные возмущения максимума электронной концентрации Δ N _m/ N _m. Сплошная линия – РНР, штриховая – ионозонд DPS-4.

Рис . 2. Относительные возмущения максимума электронной концентрации Δ N _m/ N _m. Сплошная линия – РНР, штриховая – ионозонд DPS-4.

Наиболее труднообъяснимым с точки зрения общей концепции термосферной бури выглядит сценарий развития ионосферной бури 29.10.2003 (вариации ΔNm/Nm для этого события представлены на рис. 2). В начальный период суток (по UT) наблюдается мощное положительное возмущение (ΔNm/Nm ~100 %), которое спадает до ~ 50 % к моменту начала вспышки авроральной активности ~13:15 LT. Начиная с 14 LT наблюдается резкое падение ΔNm/Nm до уровня 10 % в 14:30 LT с последующим восстановлением к 17 LT уровня начального положительного возмущения ΔNm/Nm ~ 100 %. Отрицательная фаза возмущения начинается с 18:30 LT. Отмеченные особенности (положительный фон, отрицательное возмущение как отклик на изолиро- ванную вспышку авроральной активности в дневное время, восстановление до уровня начального положительного возмущения) не могут быть объяснены с точки зрения концепции термосферной бури [5].

Анализ влияния электрического поля

В пяти бурях из восьми (25.09.1998, 15.07.2000, 29.10.2003, 10.11.2004, 11.09.2005) на РНР наблюдались сигналы мощного когерентного эхо , что , согласно [8] и результатам анализа бури 25.09.1998 [9], являлось ин дикатором проникновения электрического поля магни тосферного происхождения в средние широты . Во вре мя трех бурь когерентное эхо регистрировалось в осве щенное время и сопровождалось ростом Δ N m / N m , вели чина приращения при этом была различной : ~100 % для 11.09.2005, ~70 % для 10.11.2004 и ~20 % для 25.09.1998. Во время бури 15.07.2000 когерентное эхо было зафиксировано c 2 до 07:50 LT, в этот период времени наблюдалось экстремальное отрицательное возмущение ( Δ N m / N m ~ –90 %). Наиболее продолжи тельное когерентное эхо наблюдалось 29.10.2003 с 19 до 07:30 LT, для этого интервала имели место как экстремальное отрицательное возмущение , так и интервалы возрастания Δ N m / N m . Необходимо отме тить , что РНР 29.10.2003 начал работать только с 18 LT, соответственно отсутствует информация о дневном когерентном эхе .

Таким образом , проникновения электрического поля магнитосферного происхождения в средние широты в освещенное время суток сопровождает ся возрастанием электронной концентрации и , вполне возможно , является его причиной вследст вие подъема ионосферного слоя ; в ночное же вре мя трудно связать какие - либо особенности пове дения Δ N m / N m с проникновением электрического поля .

Анализ вариаций T e

На рис . 4 сопоставлены вариации относительных возмущений максимума электронной концентрации Δ N m / N m и относительных возмущений электронной температуры на высоте 350 км Δ T e / T e для геомагнит ных бурь 18.01.2005, 10.11.2004 и 15.07.2000. Видно , что возмущения электронной температуры и концен трации зеркальны , положительному возмущению T e соответствует отрицательное возмущение N m и наобо рот . Для сильных бурь 10.11.2004 и 15.07.2000 в ноч ное время Δ T e / T e примерно в два раза превышает Δ N m / N m и сопоставимо с ним днем . Для бури 18.01.2005 в дневное время Δ N m / N m в 3–10 раз превы шает Δ T _e/ T _e и сопоставимо с ним ночью . Полученные особенности взаимного поведения Δ T e / T e и Δ N m / N m согласуются с результатами численного моделиро вания отклика ионосферной электронной темпера туры на геомагнитную активность [10].

Заключение

Анализ возмущений максимума электронной кон центрации и электронной температуры на высоте 350 км , характеризующих отклик среднеширотной ионосферы на экстремальные геомагнитные бури 23 солнечного цикла , дал следующие результаты .

Рис . 4. Относительные возмущения электронной температуры на высоте 350 км Δ T _e/ T _e (сплошная линия) и максимума электронной концентрации ΔNm/Nm (пунктир).

В случае изолированных геомагнитных бурь ио носферный отклик может быть проинтерпретирован в рамках концепции термосферной бури . Для мощной и продолжительной геомагнитной бури характерно отсутствие откликов на вспышки авроральной актив ности в дневное время . Наиболее труднообъяснимым с точки зрения общей концепции термосферной бури выглядит сценарий развития ионосферной бури 29.10.2003: положительный фон и отрицательное возмущение как отклик на изолированную вспышку авроральной активности в дневное время .

Проникновения электрического поля магнито сферного происхождения в средние широты в осве щенное время суток сопровождалось возрастанием электронной концентрации и , вполне возможно , явля лось его причиной вследствие дрейфового подъема ионосферного слоя . При появлении электрического поля в ночное время характерных особенностей пове дения электронной концентрации обнаружено не бы -

Сопоставление возмущений электронной темпе - 100 ратуры и концентрации показало , что эти возмуще ния зеркальны – положительному возмущению тем - Q пературы соответствует отрицательное возмущение концентрации и наоборот .

-100 Настоящая работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследова - 200 ний , грант № 08-05-00274.

Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск ло.