Реакция области F1 ионосферы на возмущения в октябре и ноябре 2003 г. (анализ по измерениям на Иркутском дигизонде)

В настоящей работе сделана попытка оценить возмущения в ионосфере на высотах нижней части слоя F (120–220 км) в октябре и ноябре 2003 г. по измерениям с помощью Иркутского дигизонда. По уровню геомагнитной активности 2003 г. является самым возмущенным годом 23-го цикла. В 2003 г. зарегистрированы 62 магнитные бури, в том числе сильные возмущения, произошедшие 29–31 октября и 20 ноября [Панасюк и др., 2004]. Высокая магнитная активность явилась следствием высокой активности на Солнце. Первая группа пятен появилась 17 октября, и к 29 октября три огромные группы пятен одновременно находились на видимом диске Солнца. Такие мощные проявления солнечной активности привели к сильной реакции магнитосферы, ионосферы и атмосферы Земли. Магнитная обстановка была очень возмущенной весь рассматриваемый период. По данным Мирового центра данных С2 в Киото [], величина Dst-индекса достигала –400 нТл 30.10.2003 г. (см. рис. 1, а).

Согласно работам [Buresova, Lastovicka, 2001; Lastovicka, 2002; Mikhailov, 2008], в нижней части области F ионосферы проявления эффектов возму щений сложны и неоднозначны , и ионосферные от клики на геомагнитные возмущения в интервале высот 100–220 км гораздо менее изучены , чем в об ласти F2. Было показано , что для условий низкой солнечной активности эффекты возмущений слабо проявляются на высотах ниже 170 км .

В настоящее время в ИСЗФ СО РАН (Иркутск) накоплен материал по электронной концентрации (Nе), полученный по результатам измерений в ионосфере с помощью дигизонда. Это позволяет изучать проявле- ние эффектов возмущений в нижней части области F ионосферы в период минимума солнечной активности.

В работе исследуются изменения электронной концентрации N е на высотах 120–220 км во время сильнейших возмущений в октябре и ноябре 2003 г . Также приводятся оценки относительного содержа ния атомов и молекул кислорода в этот же период на базовом уровне термосферы 120 км на основе изме рений N е .

Отклик электронной концентрации на воз мущения

Поведение электронной концентрации в период возмущения 29–31 октября 2003 г .

Проводится анализ экспериментальных данных по электронной концентрации во время возмущений в октябре и ноябре 2003 г . на высотах 120–220 км . Возмущенный период 29–31 октября можно пред ставить как развитие сильной бури в 3 этапа : первый этап с внезапным началом в 06:12 UT 29.09.2003 г ., второй этап с началом в 12:00 UT того же дня и тре тий этап – 30 октября с постепенным началом в 16:00–18:00 UT.

На рис . 1 приведены величины индексов D _st и A _p для первого рассматриваемого периода возмущения ( панели а , б ). Здесь же показаны значения электрон ной концентрации ( панель в ), полученные с помощью дигизонда в Иркутске . Видно , как качественно меня ется динамика N е : резкие всплески на рассматривае мых высотах следуют за уменьшением значений N е . Внезапное уменьшение ( в 2–3 раза ) электронной кон центрации началось в 15:00 LT 29 октября , спустя два часа после начала возмущения , и продолжалось до 19:00 LT, пока не начался процесс поглощения , кото рый длился до 05:00 LT 30 октября . С 06:00 и до 15:00 LT – период постепенного восстановления N _е ,

время (UT)

Рис . 1. Возмущение 29–31 октября 2003 г .: а – измене ние D _st- индекса в период с 28 по 31 октября 2003 г .; б – изменение 3- часового А _р - индекса ; в – изменение значений N _е ( по данным дигизонда ); цифры у кривых обозначают высоты : 1 – 170 км ; 2 – 190 км ; 3 – 220 км .

28.10.03        29.10.03        30.10.03

31.10.03

но значения электронной концентрации все еще очень низкие . С 23:00 LT 30 октября постепенно развивается третий этап возмущения , поэтому днем 31 октября наблюдаются очень низкие значения N _е и измерения до 15:00 LT отсутствуют из - за поглоще ния . С этого момента и до 06:00 LT 1 ноября наблю даются низкие значения N е , с 07:00 LT отмечается очень быстрый рост N е в дневное время на всех рас сматриваемых высотах , причем на h =220 км значе ния превышают обычные N е в спокойных условиях примерно на 30 %. Высокие значения N е наблюдались также 2 ноября , но эти дни (1 и 2 ноября ) нельзя на звать спокойными , поскольку значения индекса А р равны 22 и 20 соответственно .

Процедура анализа возмущений аналогична опи санной в нашей работе [ Щепкин и др ., 2009 а ]. Рас смотрим поведение усредненных ежедневных зна чений N е в интервале 10:00–14:00 LT ( обозначим их N 1014 ) во время возмущений . На рис . 2, а показаны значения N 1014 в диапазоне высот 120–220 км . Значи тельных изменений величин N 1014 29.10.2003 г . в срав нении со значениями в спокойные дни 10 и 11 октября не наблюдается , поскольку для периода 29–31 октября возмущение началось 29 октября в 13:00 LT, и ми нимальные значения N 1014 отмечаются 30 октября . Данные по дневным значениям электронной концен трации 31 октября отсутствуют из - за поглощения в ионосфере . С уменьшением высоты различие в зна чениях N 1014 уменьшается .

Изменение поведения N е в дневные часы во время возмущений в сравнении с относительно спокойными днями показано в данной работе еще и как отклонение dN в процентах от средних за 21 день значений N av (±10 дней с центром в данный день ); рассмотрены величины dN =( N ex – N av )/ N av для высот 170, 190, 220 км ( табл . 1). Указанные значения dN приведены для воз мущенных дней 29, 30 и 31 октября 2003 г . и выбран -

Рис . 2 . Изменение значений N ₁₀₁₄, средних на времен ном отрезке 10:00–14:00 LT, с высотой за два возмущен ных периода : а – период с 28 по 31 октября 2003 г .; б – период с 19 по 22 ноября ( возмущение 20.11.2003 г .). Цифры у кривых обозначают даты .

ных для сравнения относительно спокойных дней – 9–12 октября и 1–2 ноября . Видно , что в спокойные дни dN меняется на всех высотах на десятки процентов в первую половину дня ( до 11:00 LT), причем значения в основном положительные , что говорит о превыше нии экспериментальных значений N ex над средними N av по 21 дню . Во второй половине дня значения dN уменьшились до единиц процентов и имеются отри цательные dN . Возмущение , начавшееся в 13:00 LT 29 октября , отразилось в изменении знака dN на минус после 14:00 LT того же дня и в понижении значений dN до 60–90 % 30 и 31 октября , причем 31.10.2003 г . отсутствуют измерения по причине сильного по глощения с 08:00 до 14:00 LT.

Средние величины dN за 1 и 2 ноября имеют по ложительные значения в десятки процентов , что го ворит о фазе восстановления электронной концен трации после возмущения , хотя в эти дни значения А р повышены до 22 и 20 соответственно .

Поведение электронной концентрации в период возмущения 20 ноября 2003 г .

Для анализа возмущения 20 ноября взяты в качестве относительно спокойных два дня до (18 и 19 ноября) и два дня после (22 и 23 ноября) возмущения. После возмущения 29–31 октября ионосфера еще не вернулась к спокойному состоянию. Об этом говорят значения Ар (см. табл. 3). Следующее очень сильное возмущение, согласно данным [], началось 20 ноября в 06:00 UT и достиг-

Таблица 1

Значения dN (%) в первый возмущенный период 29–31 октября 2003 г . и в соседние с ним дни на трех высотах .

LT H	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
км	Среднее dN (%), 9–12 октября
170	–26	16	10	15	11	14	–3	1	6	1	–14	–16	–3
190	4	44	26	23	23	17	3	5	0	–2	–8	–12	50
220	18	27	20	23	18	15	14	10	3	2	6	11	12
	dN (%), 29 октября ( возмущение )
170	–21	112	76	14	25	7	35	22	–16	–24	–42	–37	44
190	–12	138	59	8	23	35	36	10	–30	–51	–68	103	31
220	46	99	45	22	31	84	36	13	–27	–46	–42	43	143
	dN (%), 30 октября ( возмущение )
170	–18	–13	–28	–35	–42	–46	–31	–14	–6	–16	–30	–40	–38
190	–12	–30	–55	–48	–56	–49	–50	–28	–12	–34	–55	–55	–84
220	–55	–62	–71	–59	–55	–42	–66	–39	–23	–43	–33	–36	–61
	dN (%), 31 октября ( возмущение )
170	–	–16	–	–	–	–	–	–	–	–16	–12	–44	–69
190	–	–34	–	–	–	–	–	–	–	–43	–45	–73	–90
220	–	–64	–	–	–	–	–	–	–	–63	–66	–83	–92
	Среднее dN (%), 1–2 ноября
170	–14	9	20	29	31	24	8	19	29	10	38	–14	52
190	–12	23	44	44	39	33	13	22	31	15	19	–2	56
220	35	55	54	48	36	40	17	22	31	28	45	33	42

Таблица 2

Значения dN (%) в период 18–23 ноября 2003 г . ( возмущение 20 ноября ).

LT H 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 км Среднее dN (%), 18–19 ноября 170 –28 –59 –14 –6 –15 –7 2 25 38 –19 1 30 –7 190 –47 –42 –22 –12 –6 –12 –3 28 37 –32 12 13 1 220 –55 –38 3 –3 –3 –15 –8 –1 –4 4 15 –4 –39 dN (%), 20 ноября (возмущение) 170 0 –20 20 8 37 20 13 12 20 13 –8 –68 –21 190 –31 –29 39 76 24 35 24 4 2 13 19 –92 –56 220 45 22 33 58 1 15 14 5 –12 4 –10 –70 –32 Среднее dN (%), 22–23 ноября 170 –17 –18 2 –6 –8 –10 –10 4 8 14 –4 –23 –7 190 –41 0 –13 –14 –15 –19 –12 –3 –1 2 –15 –25 –65 220 –31 –18 –20 –26 –16 –16 –15 –12 –12 5 –17 33 –8 ло максимальной фазы в 18:00 UT (рис. 3, а, б).

Электронная концентрация по измерениям на Иркутском дигизонде в этот период показана на рис . 3, в . Резкое уменьшение N e на всех рассмат риваемых высотах (170, 190, 220 км ) началось в 16:00 LT 20 ноября , спустя три часа после начала возмущения , и продолжалось до конца дня , 21 ноября измерения отсутствуют по причине силь ного поглощения в нижележащих слоях ионосфе ры . Наблюдения на фазе восстановления элек тронной концентрации 22 ноября после 07:00 LT прерывались периодами поглощений и геомаг нитная обстановка была еще не спокойной : А р =25.

Минимальные значения профилей электронной концентрации N 1014 ( рис . 2, б ) соответствуют 22 но ября , поскольку начало возмущения приходится на конец дня 20 ноября по местному времени и реак ция в N 1014 возможна в последующие дни :

21.11.2003 г . измерения отсутствуют из - за погло щения , а 22 ноября значения N 1014 показывают продолжающийся отклик на возмущение умень шением на всех высотах .

Отклонения экспериментальных значений элек тронной концентрации ( N ex ) от средних ( N av ) за 21 день (±10 дней с центром в данный день ) dN =( N ex – N av )/ N av в процентах для высот 170, 190, 220 км приведены в табл . 2 для 20 ноября 2003 г . и соседних с ним дней .

Все рассматриваемые дни характеризуются повышенными значениями А _р , поэтому нет четкой картины изменения dN , но можно отметить , что возмущение проявилось в величинах dN с 17:00 LT 20 ноября резким понижением ( до 92 %) элек тронной концентрации , 21 ноября измерения от сутствуют , а 22–23 ноября величины dN продол жают показывать уменьшение электронной кон центрации .

время (UT)

Рис . 3. Период с 19 по 22 ноября ( возмущение 20.11.2003 г .): а – изменение D _st- индекса ; б – изменение 3- часового А _р - индекса ; в – изменение значений электрон ной концентрации ( по данным дигизонда ); цифры у кривых обозначают высоты : 1 – 170 км ; 2 – 190 км ; 3 – 220 км .

Реакция термосферы

Изменение электронной концентрации во время возмущений на рассматриваемых высотах , где вы полняется условие фотохимического равновесия , определяется главным образом изменением в газовом составе термосферы . Авторами работы выполнена оценка изменения относительного газового состава в периоды возмущений в сравнении с соседними спо койными днями . Для этого была использована ранее разработанная методика [ Щепкин и др ., 2008; 2009b] определения отношения концентраций атомов O и молекул N 2 на опорном уровне термосферы 120 км ( R 1 =[O]/[N 2 ]), а также отношений [O 2 ]/[N 2 ] и [O 2 ]/[O]. Для этой цели используется уравнение регрессии

N _e/ N _av= X ₁+ X ₂[ n ₁/(5 n ₂+ n 3 )] ^. + X 3 ( n ₁/ n 3 ) ^. ×

×(cos χ )^0.5+ X 4 exp [–( T _ex–600)/600]+ X 5 ( Е / E ₀).   (1)

Здесь Ne – электронная концентрация. Величина Nav определяет среднее значение Ne по всему объему использованных данных отдельно для каждой высоты. Xj – искомые коэффициенты, n1, n2, n3 – концентрации атомного кислорода, молекул кислорода и азота соответственно на уровне 120 км, взятые по модели [Hedin, 1987]. Tex – температура экзосферы, χ – зенитный угол Солнца. Член X5(E/E0) характеризует зависимость от относительной величины энергии потока ионизирующего излучения в диапазоне 5–105 нм по модели спектрального распределения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца [Tobiska, Eparvier, 1998]. E0 – величина E при максимуме солнечной активности, когда F10.7=250. Коэффициенты уравнения (1) были получены с помощью модели термосферы MSIS-86 для определения nj, Tex и при использовании экспериментальных данных Иркутского дигизонда для 2003–2006 гг. Эти же измерения для полудня на высотах 120, 130, …, 190, 220 км использовались для оценок относительных газовых составляющих.

В табл . 3 представлены величины [O]/[N 2 ] и [O 2 ]/[O] для периода с 9 октября по 25 ноября 2003 г . Отношение [O 2 ]/[O] получено в результате деления R 3 =[O 2 ]/[N 2 ] на R 1 =[O]/[N 2 ]. Эти величины оцени вались для полудня на высоте опорного уровня термосферы 120 км . Значения r 1 = R 1c / R 1M , r 3 = R 3c / R 3M представляют отношения рассчитанных величин [O]/[N₂] и [O₂]/[N₂] к их значениям по модели [Hedin, 1987] соответственно .

Отметим , что во время возмущений 29–31 октяб ря 2003 г . полуденная величина R 1 =[O]/[N 2 ] умень шилась в два раза 30 октября в сравнении с сосед ними , более спокойными в геомагнитном отноше нии днями . Содержание молекулярного кислорода относительно атомного ( R 3 ) возросло в этот день примерно на 40 % по сравнению с соседними днями .

Сравнение с соответствующими величинами по модели MSIS показывает , что в спокойные дни с 9 по 12 октября рассчитанные отношения R ₁ и R ₃ от личались от модельных на 10–20 %, а в отдельных случаях даже больше . С 25 по 31 октября развивает ся возмущение ( значения А р меняются от 16 до 200), наши оценки R 1 дают отличия от модельных на 10– 30 %, причем для возмущенного дня 30 октября оценки [O]/[N 2 ] меньше модельных в два раза , от ношение [O 2 ]/[O] также было меньше модельного в два раза 29 и 30 октября . В последующие возму щенные дни ( А р меняется от 12 до 35) оценки [O]/[N₂] выше модельных на 10–30 %, значения [O₂]/[O] меньше на 30–40 %.

Почти весь период между двумя возмущениями в октябре и ноябре оставался нестабильным в гео магнитном отношении : значения А р весь месяц были повышены ( табл . 3).

Поскольку возмущение 20.11.2003 г . началось в ночной период по местному времени , и 21 ноября измерения отсутствуют по причине сильного по глощения в ионосфере , отклик на это событие отме чается в величине [O]/[N 2 ] 22 ноября : она меньше со ответствующих значений в ближайшие дни на 40 %. По сравнению с модельными значениями эта величина меняется в пределах ±(10÷30) %. Отношение R ₃=[O₂]/[O] несколько увеличилось 22 ноября , но при этом было меньше модельного на 20–30 %.

Наши оценки отношений газовых составляющих позволяют заключить , что во время сильного возму щения их поведение отличается от поведения во вре мя слабого возмущения : в период апрельского воз мущения 2005 г ., по нашим оценкам в работе [ Щеп кин и др ., 2009 а ], относительное содержание атомного кислорода в возмущенные дни отличается от модель ных значений [Hedin, 1987] не более чем на 9 %, тогда как во время значительных возмущений в октябре и ноябре 2003 г . эти отличия гораздо больше – от 20 до 50 %. Поскольку мы использовали эксперименталь ный материал по N e и коэффициенты , полученные на основе его для нашего региона , можно предположить ,

Таблица 3

Отношения [O]/[N₂] и [O₂]/[O] для октября и ноября 2003 г . ( расчеты с коэффициентами , полученными по измерени ям с помощью Иркутского дигизонда в 2003–2006 гг .).

дата Ap R1c=O/N2 r1=R1c/R1M R3c=O2/O r3=R3c/R3M Первый возмущенный период 09.10.2003 10 0.30 1.1 0.53 1.1 10. 6 0.19 0.7 0.37 0.8 11. 6 0.32 1.2 0.52 1.2 12. 7 0.24 0.9 0.34 0.8 25. 16 0.24 0.9 0.45 1 26. 11 0.16 0.6 0.79 1.9 27. 14 0,24 0.8 0,80 1.9 28. 23 0.22 0.8 0.50 1.1 29. 200 0.32 1.2 0.33 0.5 30. 200 0.13 0.5 0.46 0.6 31. 98 – – 1.11.2003 22 0.26 0.9 0.30 0,6 2. 20 0.32 1.1 0.53 1.2 3. 12 0.35 1.2 0.29 0.7 4. 35 0.37 1.3 0.20 0.4 Второй возмущенный период 17.11 38 0.28 1 0.39 0.8 18.11 23 0.29 1 0.37 0.8 19.11 16 0.27 0.9 0.37 0.8 20.11 145 0.35 1.3 0.35 0.6 21.11 47 – – 22.11 25 0.20 0.7 0.39 0.8 23.11 24 0.31 1.1 0.30 0.7 24.11 14 0.31 1 0.38 0.9 что реальный газовый состав существенно отличается от модельного в таких возмущенных условиях.

По мере накопления экспериментального мате риала будут проводиться дальнейшие разработка и усовершенствование предлагаемой методики ис пользования ионосферных измерений для определе ния относительных газовых составляющих , что по зволит получать значения этих величин для разных периодов , сезонов года при различной солнечной и геомагнитной активности и предоставит возмож ность отслеживать состояние термосферы в теку щий период .

Заключение

В результате анализа поведения параметров ионосферы в дневное время по данным Иркутского дигизонда можно заключить , что в периоды возму щений в октябре и ноябре 2003 г . в ионосфере на блюдались хорошо выраженные отрицательные эф фекты , характеризующиеся отчетливым ( до 2–3 раз ) понижением электронной концентрации в области F1 выше 160 км .

Уменьшение электронной концентрации проявляется в среднедневных величинах N1014, но не всегда удается его проследить именно для дней возмущения из-за отсутствия измерений по причине сильного поглощения в ионосфере. Отклонения dN в процентах от средних за 21 день значений в периоды возмущений, показывающие отрицательные зна- чения, также говорят о значительном уменьшении электронной концентрации.

Установлено , что для объяснения наблюдаемых уменьшений электронной концентрации в нижней ионосфере во время сильных геомагнитных возму щений изменения газового состава термосферы в регионе Иркутска должны отличаться от данных модели MSIS на 20–50 %.