Показатели изменчивости ионосферы во время геомагнитных бурь по наблюдениям GPS

Индексы положительной и отрицательной возмущенности полного содержания электронов N _T в ионосфере и плаз мосфере градуированы по степени логарифмических отклонений от спокойной медианы за предыдущие 27 дней . Ис пользованы данные мировых карт GPS-IONEX вдоль меридиана 30º Е на широтах от 10 до 60º N за 1999–2006 гг . Шкала индексов N _T определяет спокойные условия , умеренные возмущения , умеренные бури и сильные бури в ионосфере . Сравнение индексов N _T с 69 интенсивными магнитными бурями при D _st< –100 нТл показало , что около 20 % магнитных бурь не сопровождается бурями в ионосфере . Магнитосферная буря в 10 % случаев вызывает увеличение N _T без после дующего спада , около 30 % составляют случаи отрицательной фазы бури N _T без положительной фазы и менее 50 % - бури с известной схемой общего типа положительной и отрицательной фаз N _T.

Indexes of the positive and negative disturbance of the total electron content N T in the ionosphere and plasmasphere are calibrated in the degree of logarithmic deflection from the quiet median for the previous 27 days. Data are used from orld maps GPS-IONEX along the meridian of 30º Е in the latitudes from 10 to 60º N for 1999–2006. The index scale N _T determines quiet conditions, moderate disturbances, moderate and strong storms in the ionosphere. The comparison between N _T indexes and 69 intensive magnetic storms at D _st< –100 nT revealed that about 20 % of magnetic storms are not accompanied by ionospheric storms. 10 % of magnetic storms result in increasing N _T without succeeding decay; about 30 % are the cases of the N _T negative storm phase without positive one; less than 50 % of storms are those with the well-known general-type scheme of positive and negative N _T phases

Отклик полного электронного содержания на геомагнитную бурю многократно исследовался в литературе [1–3]. Предполагаемая 100%- я эффек тивность магнитосферных бурь в ионосфере приве ла к применению геомагнитных индексов в качестве драйверов моделей ионосферных бурь . Однако в последнее время выяснилось , что имеются ионо сферные возмущения , не связанные с магнитными бурями [4]. Естественно , возникает вопрос , все ли магнитные бури вызывают соответствующий отклик в ионосфере и плазмосфере Земли ?

С целью исследования данного вопроса были про анализированы данные полного электронного содер жания N _T в столбе единичного сечения от основания ионосферы (65–80 км ) до высот орбиты спутниковой радионавигационной системы GPS в плазмосфере (20200 км ). Данные выбраны из ежедневных двухчасо вых карт мирового времени ESAG-IONEX ( ftp://cddisa . gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex) за период 1999– 2006 гг . вдоль меридиана 30º E на широтах от 10 до 60º N.

Значения N T были предварительно нормирова ны на отношение зенитного угла Солнца в момент наблюдения к его значению в местный полдень . При этом сохраняется без изменения полуденное значение N _T, а в остальное время суток результат нормировки дает постепенное уменьшение N _T от дня к ночи с сохранением этой формы профиля суточных вариаций в течение года в любой точке земного шара .

В качестве спокойного уровня отсчета вычислена медиана NT за 27 предыдущих дней в каждый момент мирового времени в каждом узле карты по широте для меридиана 30º Е в северном полушарии. Относительные изменения NT градуированы по степени логарифмических отклонений от медианы подобно индексам максимальной плотности электронов [5]. Индексы WT положительной и отрицатель- ной возмущенности NT равны ±1 для спокойных условий, ±2 – для умеренных возмущений, ±3 – для умеренных ионосферных бурь, и ±4 – для интенсивных ионосферных бурь.

Пример полученных W T - индексов приведен на рис . 1 ( вверху ) для магнитной бури 24–25 августа 2005 г . Соответствующие вариации D st - индекса , ха рактеризующего интенсивность кольцевого тока в магнитосфере на расстоянии нескольких земных радиусов , показаны на нижней панели . Видно мак симальное значение W T = 3 в момент пика магнито сферной бури , сопровождаемое отрицательной фазой ионосферной бури , достигшее экстремально низ ких значений W _T = –4 ( уменьшение N _T более , чем на 50 %) в местное ночное время через 10 часов по сле главной фазы магнитной бури . Затем наблюда ется постепенное восстановление спокойного уров ня в магнитосфере и ионосфере .

Время бури, час.

Рис . 1. Индекс ионосферной изменчивости ( вверху ) во время геомагнитной бури 24–25 августа 2005 г .; геомаг нитный D _st- индекс ( внизу ).

Т . Л . Гуляева

За период с января 1999 по декабрь 2006 г . были выделены 69 интенсивных магнитных бурь , достиг ших минимума D st < –100 нТл . Подобно примеру на рис . 1, в течение каждой магнитосферной бури в каждом узле по широте на долготе 30º Е были вы браны максимальный положительный индекс W T+ и минимальный отрицательный индекс W T– . По опре делению , проявление бури электронного содержания в ионосфере и плазмосфере характеризуется индек сом W T , равным ±3 и ±4. В вариациях W T - индекса во время D st - бурь наблюдались 31 двухфазная буря в ионосфере и плазмосфере ( W T– ≤ –3; W T+ ≥ 3), 7 бурь с увеличением плотности ионизации без последующе го уменьшения ( W T+ ≥ 3; W T– ≥ –2), 19 бурь только с уменьшением плотности ионизации ( W T– ≤ –3; W T+ ≤ 2). Кроме того , 12 магнитных бурь наблюдались при умеренной изменчивости N _T менее 20 % от спокой ной медианы (–2 ≤ W T ≤ 2).

Групповой « портрет » широтных вариаций положи тельных и отрицательных индексов ионосферной из менчивости показан на рис . 2 в виде средних значений в пределах стандартного среднеквадратичного откло нения . Кривые 1 и 2 представляют среднее изменение W T для 31 двухфазной бури N T во время магнитных бурь , кривые 3 и 4 – изменение W T в отсутствие за метных отклонений N T во время 12 бурь D st . Видно , что положительные индексы возрастают к экватору . Наименьшие отрицательные индексы на широтах 20– 30º соответствуют изменениям характеристик в пике экваториальной аномалии в ионизации [6].

Рис . 2. Вариации экстремальных ионосферных индек сов , осредненных по пакетам геомагнитных бурь , и их среднеквадратичные отклонения . Кривые 1 и 2 – случай двухфазной ионосферной бури при геомагнитной буре ; кривые 3 и 4 – в отсутствие ионосферной бури при гео магнитной буре .

Таким образом , маркировка уровней спокойной и возмущенной ионосферы позволила получить ха рактеристики изменчивости интегральной иониза ции N T в ионосфере и плазмосфере по мировым кар там GPS-IONEX на долготе 30º Е в северном полу шарии . Проведен анализ полученных ионосферных индексов во время 69 интенсивных геомагнитных бурь с D st < –100 нТл за период 1999–2006 гг . Выяв лено четыре типа изменений полного электронного содержания N T во время магнитной бури : 1) стан дартная ионосферная буря с положительной и отри цательной фазами наблюдалась в 45 % случаев ; 2) только положительная фаза наблюдалась в 10 % слу чаев ; 3) только отрицательная фаза наблюдалась в 28 % случаев ; 4) в 17 % случаев магнитная буря проходила без ответной бури в интегральном со держании электронов в ионосфере и плазмосфере . Этим может объясняться ограниченное применение метода коррекции максимальной плотности иониза ции в ионосфере по предыстории геомагнитных ин дексов [7]. Индексы ионосферной изменчивости могут существенно дополнить геомагнитные индек сы в качестве управляющих параметров ионосфер ных моделей .