Влияние метеорологических штормов на область Е ионосферы в 2017-2018 гг

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям ионосферных возмущений, вызванных мощными динамическими процессами в нижней атмосфере и на поверхности Земли. Результаты экспериментальных исследований показывают, что развитие таких процессов приводит к возникновению ионосферных возмущений. Так, например, прохождение метеорологических штормов и ураганов сопровождается значительными возмущениями параметров F2-слоя ионосферы и полного электронного содержания (ионосферный параметр ТЕС) [Martinis, Manzano, 1999; Захаров, Куницын, 2012; Polyakova, Perevalova, 2013; Chernigovskaya et al., 2014, 2015; Koucká Knížová et al., 2015; Bogdanov et al., 2016; Карпов и др., 2016, 2019; Борчевкина, Карпов, 2017] .

Гипотезы о взаимном влиянии процессов в различных слоях атмосферы основываются на представлениях о генерации атмосферных волн, в частности, акустико-гравитационных волн (АГВ), и их распространении при определенных условиях снизу в верхние слои атмосферы [Kazimirovsky et al., 2003; Lastovicka, 2006, Mathews, 1998] . Мощные метеорологические процессы (штормы, ураганы, тайфуны) являются источником генерации АГВ в атмосфере. Теоретические исследования показывают, что метеорологические источники возбуждают сравнительно короткопериодные АГВ [Snively, Pasko, 2003; Куницын и др., 2007] . АГВ с периодами, близкими периоду Вяйсяля—Брента, а также инфразвуковые волны, распространяясь из области возбуждения, могут достигать высот термосферы и ионосферы [Schubert et al., 2005] . Диссипация таких волн приводит к формированию локальных областей нагрева термосферы, что влияет на динамику и ионизационно-рекомбинационные процессы ионосферы [Карпов, Кшевецкий 2014; Karpov, Kshevetskii, 2017] . Процессы, обусловленные диссипацией возбуждаемых в условиях метеорологических возмущений АГВ, влияющие на ионосферные эффекты в F-области, могут оказаться неэффективными на высотах Е-области. В теоретических работах [Карпов, Кше-вецкий, 2014; Karpov, Kshevetskii, 2017] отмечается, что область диссипации таких волн, как правило, находится на высотах 250–300 км, что значительно выше Е-слоя ионосферы.

Установлено, что в нижней ионосфере на высотах Е-слоя имеется связь между проявлением волновой активности АГВ и возмущениями характеристик спорадических Е-слоев (Es-слоев). В частности, были обнаружены случаи, когда слой Es и возмущение в F-области проявляли одинаковую периодичность [van Eyken et al., 1982, Mathews, 1998; Parkinson, Dyson, 1998]. Различные аспекты влияния АГВ на слои Es, включая влияние волн на неоднородность горизонтальных ветров на высотах Е-слоя ионосферы, возмущение критической частоты слоя, а также рекомбинационные процессы в верхней мезосфере — нижней термосфере рассматриваются в работах [Пилипенко, Козак, 2012; Barta et al., 2017; Haldoupis, 2012; Šauli, Bourdillon, 2008; Didebulidze et al., 2015].

Таким образом, дальнейшее развитие представлений о динамике нижней ионосферы в условиях метеорологических возмущений предполагает накопление данных наблюдений и совершенствование физической интерпретации наблюдаемых явлений.

Целью данной работы является анализ вариаций параметров нижней атмосферы и слоя E s в периоды метеорологических штормов в Калининграде в октябре 2017 и 2018 г.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Особенность географического положения региона Юго-Восточной Балтики, где расположен Калининград, состоит в том, что он открыт проникновению западных транзитных воздушных масс. По материалам многолетних метеорологических наблюдений число дней с сильным ветром (>15 м/с) в Калининградском регионе составляет 28–38 в год, в отдельные годы — до 60 дней; на осенне-зимний период (ноябрь–январь) приходилась примерно половина штормовых дней. Сила наблюдаемых штормов обычно составляет 7–8 баллов (12–18 м/с), изредка 9–10 (18–25 м/с), в исключительных случаях ветер достигает силы 11–12 баллов (>25 м/с). Транзит атлантических циклонов происходит при отсутствии орографических препятствий, что и определяет местную специфику ветрового режима [Тупикин, 2003] .

Возникающие в таких процессах экстремальные метеорологические явления могут влиять на устойчивость функционирования различных систем связи и навигации, в частности, спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Карпов и др., 2019] .

В настоящей работе выполнен анализ возмущений нижней ионосферы по наблюдениям на ст. Калининград (54° N, 20° E) во время метеорологических штормов в октябре 2017 и 2018 г. Для описания метеорологической обстановки использовались трехчасовые измерения максимальных значений скорости ветра, а также атмосферного давления, приведенного к среднему уровню моря, по данным []. В качестве дополнительного источника данных использовались часовые измерения метеорологической станции в Ольштыне (53° N, 20° E), Польша. Вариации слоя Es определялись по 15-минутным измерениям критической частоты foEs (МГц) и минимальной действующей высоты hʹEs

Влияние метеорологических штормов на область Е ионосферы (км) с ионозонда «Парус-А» на полигоне Калининградского филиала ИЗМИРАН (54.36° N, 20.12° Е).

К метеорологическим штормам относятся события, сопровождающиеся очень сильным длительным (более 6 ч) ветром обычно при прохождении циклона с большими или меньшими разрушениями на суше и сильным волнением на море. Ветер 17–24 м/с классифицируется как шторм и сильный шторм (8–9 баллов по шкале Бофорта) [Хромов, Мамонтова, 1974] .

Для анализа были выбраны метеорологические штормы (29–30 октября 2017 и 23–24 октября 2018 г.), когда максимальная скорость ветра в Калининграде достигала 17 м/с и более, что соответствует 8 баллам и выше по шкале Бофорта. Эти события проходили в условиях низкой геомагнитной и солнечной активности. Критерием спокойных условий являлись значения индекса геомагнитной активности K _p≤3 в день события или предыдущие сутки, значение –20≤ Dst ≤20 нТл, которое не менялось более чем на 20 нТл в течение суток.

На рис. 1 представлены трехчасовые измерения максимальных значений скорости порывов ветра, атмосферного давления, приведенного к среднему уровню моря, по данным [], а также вариации геомагнитных индексов в период метеорологических штормов в октябре 2017 и 2018 г.

Видно, что анализируемые события проходили на фоне спокойных геомагнитных условий и возмущенных (штормовых) условий в нижней атмосфере.

На рис. 2, 3 представлены вариации критической частоты ( f _oЕ_s, МГц) и минимальной действующей высоты слоя E s ( h ʹE s , км) в период прохождения метеорологических штормов в октябре 2017, 2018 г.

Видно, что в период прохождения метеорологических возмущений (29–30 октября 2017 г. и 23 октября 2018 г.) наблюдается изменение характеристик слоя E_s, проявляющееся в снижении f _oЕ_s ниже порога чувствительности ионозонда (~2 МГц) и немонотонном изменении высоты слоя.

В октябре 2017 г. метеорологический шторм начался в 06 UT 29 октября и продолжался до 23 UT 30 октября (рис. 1). Быстрое понижение f o Е s отмечено после 12 UT, а с 17:00 UT 29 октября до 6:00 30 октября и с 14:00 30 октября до 07:00 31 октября спорадический слой не наблюдался (рис. 2). В октябре 2018 г. область пониженного атмосферного давления у ст. Калининград регистрировалась с 06 UT 23 октября до 18 UT 24 октября (рис. 1). В некоторые периоды штормов отсутствуют данные о метеорологической обстановке, что, по-видимому, связано с неработающей аппаратурой на Земле. Исчезновение спорадического слоя в этот период отмечено с 14:00 23 октября до 7:00 24 октября (рис. 3). После прохождения метеорологических штормов наблюдаемые параметры E s вернулись к доштормовым значениям.

Существенное снижение f o E s и соответственно электронной концентрации в E s , которое наблюдается непосредственно во время метеорологического шторма и не наблюдается до и после исследуемого события, позволяет связать выявленные ионосферные возмущения с прохождением метеорологического шторма.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящее время общепринятой является теория ветрового сдвига [Mathews, 1998; Haldoupis, 2012] , объясняющая формирование спорадических слоев в Е-области ионосферы на средних широтах потоками ионов, обусловленными неоднородностью вертикальной структуры горизонтальных ветров. Появление неоднородного нейтрального ветра может быть связано с различными динамическими процессами в нижней термосфере [Haldoupis et al., 2006; Pignalberi et al., 2014] .

Несмотря на спорадичность появления слоя E s , в вариациях его параметров проявляются закономерности, позволяющие говорить о регулярности этих вариаций [Брюнелли, Намгаладзе, 1988] . Так, в представленных наблюдениях динамики слоя Е s (рис. 2, 3) отчетливо прослеживаются ночные слои, обусловленные металлическими ионами, утреннее увеличение высоты и f o Е s в дни, предшествующие прохождению метеорологических возмущений. В дни метеорологических штормов (29–30.10.2017 и 23– 24.10.2018) отмечались существенные изменения в динамике параметров слоя Е s . Спорадический слой в эти периоды отмечается только в дневное время. После окончания штормовых условий в Калининградском регионе параметры слоя Е s восстанавливаются до значений, наблюдаемых в дни, предшествующие метеорологическим возмущениям. Похожие изменения параметров слоя Е s наблюдались в периоды прохождения летних грозовых фронтов в Европе в 2013–2014 гг. [Barta et al., 2017] . В этих исследованиях было показано, что через 1–2 ч после того как грозовые фронты проходили через область наблюдений, происходило понижение f o Е s ниже порога чувствительности ионозондов (~2 МГц). В работе [Barta et al., 2017] с помощью анализа результатов наблюдений сделан вывод, что наиболее вероятной причиной возмущения слоя E s являются АГВ, генерируемые в тропосфере и мезосфере в период прохождения грозовых фронтов.

Наблюдения возмущений атмосферных и ионосферных параметров в Калининградском регионе (рис. 1–3) показывают также, что задержка реакции ионосферы по отношению к времени максимальных возмущений атмосферных параметров составляет ~3 ч. Такие значения вполне согласуются с представлениями о возмущениях ионосферы, инициируемыми АГВ тропосферного происхождения. Отметим также, что представленные в данной работе результаты наблюдений получены в условиях метеорологических штормов, проходивших в осенний период без повышения грозовой активности. Следовательно, генерация АГВ в основном обусловлена конвективными процессами в тропосфере.

Исследованию влияния АГВ на спорадические слои в Е-области ионосферы посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические работы [Mathews, 1998; Fukao et al., 1998; Parkinson, Dyson, 1998; Bourdillon et al., 1997; Scotto, 1995; Пилипенко, Козак, 2012; Snively, Pasko, 2003; Liperovsky et al., 2000] , в которых рассматривались различные аспекты влияния АГВ, включая влияние волн на неоднород-

Рис. 1. Вариации атмосферного давления P , максимальной скорости порывов ветра ff 3, индексов геомагнитной активности K _p и Dst в Калининграде и Ольштыне 27 октября – 1 ноября 2017 ( а ) и 21–26 октября 2018 г. ( б )

Октябрь 2017

Рис. 2. Временные вариации критической частоты f _oE_s и минимальной высоты h ʹE_s спорадического слоя E_s 27 октября — 1 ноября 2017 г. по данным вертикального зондирования на ст. Калининград. Штриховыми линиями показано время метеорологического шторма.

Рис. 3. Временные вариации критической частоты f _oE_s и минимальной высоты h ʹE_s спорадического слоя E_s 21–29 октября 2018 г. по данным вертикального зондирования на ст. Калининград. Штриховыми линиями показано время метеорологического шторма

ность горизонтальных ветров Е-области ионосферы, возмущение критической частоты слоя, рекомбинационные процессы в верхней мезосфере — нижней термосфере.

Малые временные задержки реакции ионосферы (2–3 ч) на возмущения тропосферы позволяют ограничить спектральный диапазон АГВ, возбуждаемых в атмосфере и проникающих до высот ионосферы. В работе [Snively, Pasko, 2003] было показано, что в условиях метеорологических возмущений возбуждаются АГВ с небольшими периодами, которые, распространяясь практически вертикально, в течение 2–3 ч могут достигать высот ионосферы. Аналогичные выводы следуют из работы [Карпов, Кше-вецкий, 2014] . Эффекты диссипации таких АГВ в силу малости их периодов находятся на высотах 250– 300 км. В таком случае можно предполагать, что эффекты диссипации таких волн не будут оказывать существенного влияния на динамику E_s. С другой стороны, вертикальное распространение таких волн и рост амплитуды с высотой может приводить к обрушению волн на высотах нижней термосферы, что оказывает существенное влияние на турбулентные процессы.

Усиление турбулентных процессов в нижней термосфере приводит к повышению плотности атмосферы и повышению интенсивности рекомбинационных процессов. В результате быстро снижаются концентрация ионов и соответственно f o Е s вплоть до частот ниже порога чувствительности ионозондов. Можно предположить, что именно такие процессы приводят к возмущениям динамики Е_s-слоя в периоды метеорологических возмущений.

ВЫВОДЫ

Представлены результаты наблюдений динамики атмосферы и спорадического слоя Еs в Калининградском регионе в период прохождения двух метеорологических штормов в октябре 2017 и 2018 г. Результаты наблюдений показали, что в условиях достаточно сильных метеорологических возмущений, когда скорость порывов ветра достигает 8 баллов и выше по шкале Бофорта, отмечается сущест- венное понижение foЕs. В такие периоды спорадический слой появляется только в дневное время и исчезает в ночное. Временная задержка реакции ионосферы по отношению к времени проявления максимальных возмущений атмосферных параметров составляет ~3 ч. Реакция спорадического слоя в условиях метеорологических возмущений весьма схожа с реакций ионосферы, отмеченной при прохождении грозовых фронтов.

Причины возникновения наблюдаемых явлений на высотах Е-области, по-видимому, обусловлены распространением АГВ, генерируемых конвективными процессами в нижней атмосфере в периоды метеорологического шторма. Принимая во внимание малые временные задержки (2–3 ч) появления ионосферной реакции на возмущения в нижней атмосфере, можно предположить, что влияние АГВ проявляется в усилении турбулентных процессов в нижней термосфере. Это, в свою очередь, ведет к повышению плотности нижней термосферы и эффективности рекомбинационных процессов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калининградской области, грант № 19-45-390005 (О.П. Борчевкина, М.И. Карпов) и гранта РФФИ № 18-05-00184 (И.В. Карпов).