Сезонные изменения отношений основных газовых составляющих термосферы в последнем минимуме солнечной активности (2007-2009 гг.)

По данным Иркутского дигизонда (52° N, 104° Е) по методике авторов рассчитаны отношения основных газовых составляющих [O]/[N2] и [O2]/[О] на высотах ниже максимума ионосферного слоя F1 в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях для разных сезонов последнего минимума солнечной активности. Получено, что во все сезоны трех лет, кроме осени, среднее отношение [O]/[N2] максимально в 2007 г. и в спокойные, и в возмущенные дни. В осенний период это отношение значительно возрастает (на 30 %) от 2007 к 2009 г. Проведено сравнение наших оценок [O]/[N2] с данными по GUVI [], получено разумное соответствие для отдельных сезонов.

By means of the authors’ technique on the base of Irkutsk digisonde (52° N, 104° E) data the ratios of the major gas components [O]/[N2] and [O2]/[О] were calculated at the altitudes below ionospheric F1-layer maximum in the quiet and disturbed geomagnetic conditions for different seasons during the solar activity last minimum. During all seasons covering three years except for the autumn, the average ratio [O]/[N2] was found to be maximum in 2007 both in quiet and disturbed days . In autumn period, this ratio is significantly increased (up to 30 %) when moving from 2007 to 2009. When comparing our estimates of [O]/[N2] with data on GUVI [], the reasonable agreement for individual seasons was obtained.

В работе оценивается состояние нейтрального газа термосферы по данным ионосферных измерений для периода последнего минимума солнечной активности 2007–2009 гг. Фаза понижения солнечной активности в 23-м цикле была длительной и постепенной: период покоя с середины 2007 г. до середины 2009 г. был самым долгим из последних минимумов. Спутниковые измерения показывают, что солнечное экстремальное ультрафиолетовое (EUV) излучение было также аномально низким в сравнении с предыдущими минимумами.

Измерения интегрального EUV-потока в диапазоне 26–34 нм во время двух последних минимумов солнечной активности, 1996 г. и 2007–2009 гг. показали уменьшение энергии на 15 % в последнем минимуме по сравнению с предыдущим [Solomon et al., 2010]. Для оценки зависимости изменения энергии от длины волны во всем диапазоне ионизирующего излучения был проведен анализ с привлечением моделей спокойного Солнца и измерений отдельных эмиссий, который показал, что в целом снижение EUV-энергии составило 13 %. На основе модели [Richards et al., 1994] с учетом соответствующих измерений EUV получен спектр для условий минимальной активности Солнца [Solomon et al., 2010], который использовался в наших расчетах.

EUV-излучение контролирует температуру и плотность термосферы, поэтому в минимуме последнего цикла термосфера была необычно холодной, а ионосфера – по ионосферным наблюдениям – ниже и прохладнее в сравнении с аналогичными условиями в прошлом. Анализ результатов спутниковых измерений [Emmert et al., 2010] показал, что верхняя термосфера была менее плотной и более холодной, чем в нескольких предыдущих солнечных минимумах. В 2007–2009 гг. термосферные плотности на высоте 400 км были самыми низкими в базе данных за 43 года и аномально низкими (на 10–30 % меньше) в сравнении с ожидаемыми.

Задача определения нейтральных газовых составляющих термосферы для различных гелио- и геофизических условий с помощью ионосферных измерений не потеряла актуальности и в настоящее время. Использование в нашей методике данных регулярных измерений методом вертикального зондирования ионосферы позволяет отслеживать состояние термосферы в определенные моменты. В работе были получены отношения [O]/[N 2 ] и [O 2 ]/[О] на высотах нижней ионосферы в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях в разные сезоны в годы последнего минимума солнечной активности.

Метод и используемые данные

Электронная концентрация на высотах средней ионосферы 120–200 км в дневное время почти целиком контролируется состоянием нейтрального газа термосферы при определенной величине энергии ионизирующего излучения. На указанных высотах в освещенный период суток в средних широтах выполняется условие фотохимического равновесия, что позволяет сравнительно просто описать связь электронной концентрации N с газовым составом, температурой термосферы и с потоком солнечного излучения с помощью полуэмпирической модели (ПЭМ). ПЭМ, основанная на уравнении регрессии [Щепкин и др., 2009], может послужить для анализа текущего состояния газового состава термосферы:

N / N = X + X ₂ x I n . /(5 n, + n )1¹⁵ + av        1        2       1         2      3

+ X 3 ( n j / n 3 ) 0' ⁵ x (cos %)⁰ ' ⁵ +                             ⁽¹⁾

+X4 exp [-(Tex - 600) /600] + X5 (E / E0), где N – электронная концентрация для определенных условий (высота, время), Nav – ее среднее значение по всему объему использованных данных от- дельно для каждой высоты, Xj – искомые коэффициенты уравнения модели, n1, n2, n3 – концентрации частиц атомарного кислорода, молекул кислорода и азота соответственно на высоте 120 км, Tex – температура экзосферы, χ – зенитный угол Солнца. Уравнение (1) можно записать в следующем виде:

N / N_av = X_x + X₂r4rW + + X₃ Rr (cos x)⁰⁵ +

+X4 exp[-(Tex - 600) / 600] + (2) +X5( E / E0), где R=[O]/[N2], W=[1/(1+5R2)]1.5, R2=[O2]/[N2], R2/R=[O2]/[O]: величины [O], [O2] и [N2] – компоненты нейтральной атмосферы. Последний член X5(E/E0) в (2) показывает зависимость от относительной величины энергии потока ионизирующего излучения в диапазоне 5–105 нм, E0 – значение энергии E при максимуме солнечной активности. В расчетах использовалась модель термосферы [Hedin, 1987] для определения концентраций нейтральных газовых компонент и температуры Tex. Для определения энергии потока ионизирующего излучения мы использовали спектр [Solomon et al., 2010], полученный на основе модели [Richards et al., 1994] с учетом соответствующих измерений солнечного EUV-излучения в период последнего солнечного минимума. В расчетах использовались значения электронной концентрации, полученные по измерениям Иркутского дигизонда для этого периода на высотах 120–200 км. Таким образом, в нашем распоряжении были необходимые данные, по которым из выражения (2) можно оценить величины R, R2, R2/R во время солнечного минимума 2007–2009 гг. Следует отметить, что, поскольку в формуле (2) величины R=[O]/[N2] и R2/R=[O2]/[O] относятся к высоте 120 км, мы их можем оценить, используя значение N для других высот, именно для опорного уровня термосферы. Процедура расчетов описывается в работе [Кушнаренко и др., 2011].

Обсуждение результатов

Предложенный метод позволяет оценивать отношения газовых составляющих [O]/[N2] и [O2]/[O] для дневных часов (07–18 LT). Оценки относятся к опорному уровню верхней термосферы 120 км. При этом используются данные по электронной концентрации на высотах 120–200 км.

Для исследования были выбраны геомагнитноспокойные и геомагнитно-возмущенные дни. Расчеты были выполнены для периода длительного минимума 2007–2009 гг., когда среднегодовые значения индекса F10.7 составляли 74, 69 и 71 (в единицах 10–22 Вт∙м–2∙Гц–1) соответственно. Дни с геомагнитными возмущениями выбирались за все сезоны этих лет (табл. 1). Значения индексов F10.7, Ар и Dst были получены из базы данных WDC-C2 в Киото []. Для каждого дня находилось сначала среднее отношение за околопо-луденные часы (10–14 LT), а затем – среднее отношение для каждого сезона каждого года. Такая же процедура расчетов была проведена и для геомагнитно-спокойных дней. Результаты показаны в табл. 2.

Отношение [O]/[N2]

Во все сезоны трех лет минимума солнечной активности, кроме осени, среднее отношение [O]/[N 2 ] максимально в 2007 г. и в спокойные и в возмущенные дни. Изменение при переходе от спокойных условий к возмущенным незначительное – уменьшение на 5 % во все сезоны. Причина, возможно, в том, что рассматривались в основном дни со слабыми геомагнитными возмущениями. Значения [O]/[N₂] максимальны зимой и минимальны летом: в спокойные дни уменьшение от одного сезона к другому составляет 27 %, в возмущенные дни – порядка 30 % во все годы. Отношение [O]/[N 2 ] увеличивается от лета к осени с возрастанием по годам: от 11 % в 2007 г. до 35 % в 2008 г. и до 50 % в 2009 г. Это относится и к спокойным и к возмущенным условиям. Более наглядно результаты представлены на рисунке. Видно, что отношение [O]/[N 2 ] в осенний период значительно увеличивается (на 30 % в возмущенных и на 23 % в спокойных условиях) при движении от 2007 г. к 2009 г., в то время как в остальные сезоны это отношение меняется слабо, уменьшаясь зимой и весной на 5–10 %. Возможной причиной является сезонная перестройка циркуляции термосферного ветра в равноденственный осенний период, что влечет за собой изменение нейтрального состава атмосферы на рассматриваемых высотах [Lastovicka, 2002; Goncharenko, 2006], и, поскольку на средних широтах существует весенне-осенняя асимметрия в геомагнитных возмущениях [Кушнаренко и др., 2013], процессы в осенние сезоны выражены сильнее.

0.3

0.28

0.26

0.24

0.22

0.2

0.18

2007       2008       2009

Сезонные изменения средних отношений [O]/[N2] и [O2]/[О] в минимуме солнечной активности (2007–2009 гг.) в геомагнитно-спокойные периоды (штриховые линии) и в геомагнитно-возмущенные периоды (сплошные линии): 1 – зима; 2 – весна; 3 – лето; 4 – осень.

Сезонные изменения отношений основных газовых составляющих термосферы в последнем минимуме ...

Таблица 1

Анализируемые геомагнитные возмущения (2007–2009 гг.)

2007 г.	02.01.	03.01.	04.01.	16.01.	17.01.	19.01.	30.01.	15.02.	28.02.	01.03.
A p	32	22	27	39	27	32	32	32	32	32
2007 г.	06.03.	07.03.	13.03.	16.03.	24.03.	25.03.	01.04.	02.04.	23.04.	28.04.
A p	39	22	48	27	39	32	48	48	48	39
2007 г.	29.04.	30.04.	18.05.	14.06.	04.07.	11.07.	20.07.	02.09.	23.09.	24.09.
A p	39	32	27	32	32	48	27	39	32	22
2007 г.	28.09.	29.09.	30.09.	20.10.	27.10.	30.10.	20.11.	21.11.
A p	39	48	22	27	22	27	32	27
2008 г.	05.01.	06.01.	07.01.	14.01.	25.01.	02.02.	11.02.	13.02.	19.02.	28.02.
A p	22	22	27	32	22	39	27	22	22	22
2008 г.	29.02.	01.03.	09.03.	10.03.	11.03.	12.03.	18.03.	26.03.	27.03.	28.03.
A p	32	56	67	27	22	22	22	32	48	32
2008 г.	18.08.	04.09.	15.09.	04.10.	11.10.	12.10.	29.10.	08.11.	09.11.	16.11.
A p	18	80	27	27	27	22	32	27	27	22
2009 г.	19.01.	04.02.	15.02.	27.02.	13.03.	25.03.	08.05.	24.06.	23.10.	30.10.
A p	27	22	22	27	39	22	27	27	22	18

Таблица 2

Средние отношения [O]/[N2] и [O2]/[О] в периоды геомагнитных возмущений в сравнении со средними величинами в спокойные дни в годы минимума солнечной активности

Год	F 10.7	[O]/				[N2]
		Зима		Весна		Лето		Осень
		Возм.	Спок.	Возм.	Спок.	Возм.	Спок.	Возм.	Спок.
2007	74	0.282	0.290	0.235	0.240	0.198	0.208	0.220	0.237
2008	69	0.259	0.271	0.231	0.238	0.182	0.196	0.246	0.264
2009	71	0.253	0.263	0.212	0.229	0.184	0.200	0.284	0.292
		[O 2 ]				/[О]
2007	74	0.479	0.454	0.547	0.500	0.638	0.568	0.506	0.456
2008	69	0.501	0.452	0.568	0.504	0.597	0.574	0.503	0.463
2009	71	0.476	0.455	0.525	0.499	0.640	0.517	0.380	0.356

Отношение [O2]/[О]

Наибольшие значения [O 2 ]/[О] наблюдаются в летние сезоны всех трех лет и в спокойных и в возмущенных условиях, минимальные – осенью. Осенью значения [O₂]/[О] уменьшаются относительно летних значений в спокойный период на 23 %, в возмущенный на 26 %. Во все сезоны во время геомагнитных возмущений значения [O 2 ]/[О] увеличиваются на 7–13 % по сравнению со спокойными днями. Отношение [O 2 ]/[О] в осенний период (см. рисунок) почти не меняется в 2008 г. в сравнении с 2007 г., но в 2009 г. уменьшается на 22 % в спокойных и на 25 % в возмущенных условиях. В другие сезоны рассматриваемых лет величины [O₂]/[О] меняются мало, лишь летом в спокойных условиях они ниже значений в 2007 г. на 10 %.

Рассчитанные отношения [O]/[N2] мы сравнили со значениями, полученными по картам, построенным на основе измерений УФ-спектрометра пространственного сканирования GUVI. Эти карты обеспечивают дневное глобальное покрытие земной мезосферы и нижней термосферы (высоты 60–180 км) []. Сравнение было проведено для всех выбранных геомагнитно-спокойных и геомагнитно-возмущенных дней для всех сезонов за период 2007–2009 гг. Существует вполне разумное соответствие для летних сезонов этого периода: зна- чения [O]/[N2] по GUVI составляют 0.2–0.3. Весной и осенью соответствие имеет место для отдельных событий, поскольку рассматриваемый период включает много дней, в которые отсутствовали измерения, значения по GUVI в эти сезоны в диапазоне от 0.2 до 0.6. Зимой значения по GUVI выше наших оценок. Значительное превышение отношений [O]/[N2] в сравнении с модельными отмечается и в работе [Stephan et al., 2008]. По-видимому, используемая в нашем методе модель MSIS-86 не всегда корректно описывает газовый состав в регионе Иркутска в возмущенных условиях зимнего периода.

Заключение

• 1.    Во все сезоны трех лет минимума солнечной активности, кроме осени, среднее отношение [O]/[N₂] максимально в 2007 г. и в спокойные, и в возмущенные дни. В возмущенные дни наблюдается незначительное уменьшение [O₂]/[N₂] относительно спокойных дней – на 5 % во все сезоны. Причина, возможно, в том, что рассматривались в основном дни со слабыми геомагнитными возмущениями.

• 2.    Отношение [O]/[N 2 ] в осенний период значительно возрастает (на 30 % в возмущенных и на 23 % в спокойных условиях) от 2007 к 2009 г., в то время как в остальные сезоны это отношение меняется слабо, уменьшаясь зимой и весной на 5–10 %. При-

• чиной может быть сезонная перестройка циркуляции термосферного ветра в равноденственный осенний период, что влечет за собой изменения нейтрального состава атмосферы на рассматриваемых высотах.

• 3.    Отношения [O]/[N 2 ] максимальны зимой и минимальны летом. Уменьшение от одного сезона к другому составляет в спокойные дни 27 %, в возмущенные дни – 30 % во все годы минимума солнечной активности.

• 4.    При сравнении наших оценок отношений [O]/[N₂] со значениями по GUVI получено вполне разумное соответствие в летние сезоны: значения по GUVI составляют 0.2–0.3. Весной и осенью соответствие имеет место для отдельных событий, поскольку в эти сезоны для многих дней отсутствовали измерения по GUVI. Зимой значения по GUVI выше наших оценок. Различие результатов, возможно, вызвано некорректным описанием используемой в предложенном методе моделью MSIS-86 газового состава термосферы над Иркутском в зимних возмущенных условиях.

• 5.    Наибольшие значения отношения [O₂]/[О] наблюдаются летом во все сезоны трех лет и в спокойных и в возмущенных условиях, минимальные – осенью: уменьшение от лета к осени достигает 23 % в спокойный период и 26 % в возмущенный. Во время геомагнитных возмущений во все сезоны отношение [O 2 ]/[О] увеличивается на 7–13 % в сравнении со спокойными днями.

• 6.    В осенний период отношение [O₂]/[О] уменьшается от 2007 к 2009 г. на 22 % в спокойных и на 25 % в возмущенных условиях, тогда как в другие сезоны меняется мало: только летом в спокойных условиях значение [O₂]/[О] ниже, чем в 2007 г., на 10 %.

• 7.    Очень важно, что решение задачи оценки основных газовых составляющих термосферы осуществляется на базе регулярных ионосферных измерений методом вертикального зондирования.