Возмущения в области F1 ионосферы в апреле 2005 г
Автор: Щепкин Л.А., Кушнаренко Г.П., Кузнецова Г.М.
Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika
Статья в выпуске: 13, 2009 года.
Бесплатный доступ
Проанализированы проявления ионосферных возмущений на высотах между 120 км и высотой hm максимума F2-слоя. Исследованы геомагнитные возмущения 5, 12 и 13 апреля 2005 года. Эти возмущения характеризуются выраженным синхронным уменьшением плотности электронов во всем указанном диапазоне высот. Методика авторов используется для оценки полуденных изменений относительного количества атомарного и молекулярного кислорода на 120 км. Наблюдается отчетливое снижение отношения концентраций атомарного кислорода к молекулярному азоту при увеличении отношения молекул кислорода к концентрациям кислорода.
Короткий адрес: https://sciup.org/142118389
IDR: 142118389
Текст обзорной статьи Возмущения в области F1 ионосферы в апреле 2005 г
Изучению эффектов возмущений в ионосфере уделяется большое внимание уже более полувека [1, 2]. Большой объем сведений получен по данным об электронной концентрации N mF2 или критической частоте f 0 F2 в максимуме слоя F2 [3, 4]. До сих пор имеется крайне мало сведений о проявлениях эффек тов возмущений в области F1 на высотах 150–200 км . Так , в работе [5] изучались подобные проявления по измерениям на среднеширотных ионосферных обсер ваториях в западноевропейской зоне для нескольких возмущений в апреле – мае и октябре – ноябре 1994, 1995 и 1997 гг ., т . е . в период низкой солнечной ак тивности . Основное внимание было сосредоточено на асимметрии проявления эффектов возмущений в весен ний и осенний сезоны . Установлено , что не всегда изме рения электронной концентрации N на 180 и 190 км синхронны с возмущенными вариациями N m F2. Так , в главную фазу магнитного возмущения 22–24 ноября 1997 г . отмечалось положительное возмущение в N m F2 и в то же время наблюдалось понижение N на высотах 180 и 190 км . Во время апрельских и майских возмущений при сильно выраженном понижении N m F2 наблюдались только слабые уменьшения N на 180 и 190 км .
Во всех случаях эффекты возмущений были слабо выражены на 170 км и почти не были заметны на бо лее низких высотах . Авторы работы [5] предполагали продолжить эти исследования для периода высокой солнечной активности .
Отмеченные выше моменты иллюстрируют, насколько сложны и неоднозначны проявления эффектов возмущений в нижней части области F ионосферы. В настоящее время в Институте солнечно-земной физики СО РАН в Иркутске накапливается материал по измерениям электронной концентрации (N) в ионосфере с помощью цифрового ионозонда (диги-зонда). Это позволяет приступить к детальному изучению эффектов возмущений в нижней части области F ионосферы. Имеющийся на сегодня в нашем распоряжении материал указанных измерений относится к низкой солнечной активности. В настоящей работе внимание сосредоточено на возмущениях в апреле 2005 г. Этот год выделяется небольшим количеством возмущений, которые можно считать изолированными. Рассматриваются два возмущения в апреле 2005 г. Оба они связаны с магнитными возмущениями в первой половине апреля, которые были умеренными по величине. В первом из них среднесуточное значение планетарного индекса Ар было равно 36, во втором – 33. Несмотря на это, наблюдались хорошо выраженные отрицательные эффекты в ионосфере, которые характеризуются отчетливым понижением электронной концентрации на всех высотах области F.
В настоящей работе приводятся также оценки из менения относительного содержания атомов и молекул кислорода на базовом уровне термосферы 120 км . Оценки проведены по разработанной авторами статьи методике на основе измерений N .
Исходные данные . Реакция электронной кон центрации на возмущение
В работе рассмотрены экспериментальные дан ные по электронной концентрации ( N ) в диапазоне высот от 120 км до высоты максимума слоя F2 в возмущенные (5, 12 и 13 апреля 2005 г .) и соседние с ними спокойные дни . Поскольку максимальные эффекты геомагнитной возмущенности отмечались в дневные по местному времени часы , то и эффект ионосферной возмущенности проявился в светлое время суток . На всех высотных уровнях в дневные часы наблюдалось понижение N . Этот эффект от четливо проявился в диапазоне высот 120–220 км в поведении осредненных ежедневных значений N в интервале 10–14 ч LT ( рис . 1). Кривая 3 ( рис . 1, а ) с ми нимальными значениями N соответствует возмуще нию 5 апреля , а кривые 4 и 5 ( рис . 1, б ) – возмуще нию 12 и 13 апреля .
В табл . 1 представлены для двух периодов 3–7 и 10–15 апреля 2005 г . значения индексов геомагнит ного возмущения D st . Минимальные значения при ходятся на полуденные часы возмущенных дней 5, 12 и 13 апреля .
день значений (±10 дней с центром в данный день ). Рассмотрены величины dN = ( N ex – N av)/ N av в процентах для 170, 190, 220 км и высоты максимума слоя F2. Здесь N ex – экспериментальные значения N , N av – средние за 21 день N . Указанные значения dN приве дены для возмущенных дней 5, 12 и 13 апреля 2005 г . и соседних с ними спокойных дней в табл . 2 и 3. От четливо видно различие в dN в спокойные и возму щенные дни : если в первые дни значения dN преиму щественно равны единицам процентов , то в возму щенные они представляются десятками процентов , причем в сторону понижения N . Особо следует отме тить синхронность в изменениях N на фиксированных высотах и в максимуме слоя F2. Максимальные по модулю значения dN отмечались 5 апреля в дополу денные часы , 12 и 13 апреля – в период 11–13 ч LT.
Рис . 1 . Высотное изменение ежедневных значений элек тронной концентрации , осредненных в интервале 10–14 ч LT, за два периода апреля 2005 г .: а – 3–6 апреля ( возмуще ние 5 апреля ), б – 10–15 апреля ( возмущения 12 и 13 апре ля ). Цифры на кривых обозначают дни в порядке их возрас тания в соответствующие периоды .
Таблица 1
Индексы D st за два периода (3–7 и 10–15 апреля 2005 г .) в дневные часы LT.
|
LT d |
61 |
71 |
81 |
91 |
10 1 |
11 1 |
12 1 |
13 1 |
14 1 |
15 1 |
16 1 |
17 1 |
18 |
|
3–7 апреля 2005 г . |
|||||||||||||
|
3 |
–6 |
–1 |
5 |
6 |
6 |
–2 |
–5 |
–8 |
–9 |
–13 |
–12 |
–11 |
–7 |
|
4 |
–55 |
–4 |
–2 |
–4 |
–4 |
2 |
7 |
2 |
–8 |
–14 |
–12 |
–8 |
1 |
|
5 |
–37 |
–53 |
–57 |
–73 |
–82 |
–83 |
–85 |
–85 |
–84 |
–74 |
–63 |
–54 |
–51 |
|
6 |
–31 |
–36 |
–35 |
–40 |
–39 |
–38 |
–35 |
–31 |
–33 |
–35 |
–32 |
–28 |
–24 |
|
7 |
–20 |
–30 |
–33 |
–33 |
–37 |
–41 |
–37 |
–34 |
–32 |
–35 |
–35 |
–31 |
–26 |
|
10– |
15 апреля 2005 г . |
||||||||||||
|
10 |
–4 |
–1 |
–3 |
–6 |
–9 |
–7 |
–5 |
–4 |
–6 |
–6 |
–6 |
–5 |
–5 |
|
11 |
–41 |
–3 |
–6 |
–7 |
–7 |
–4 |
0 |
1 |
2 |
0 |
–3 |
–2 |
1 |
|
12 |
–35 |
–52 |
–56 |
–59 |
–61 |
–62 |
–70 |
–62 |
–54 |
–54 |
–55 |
–50 |
–50 |
|
13 |
–39 |
–30 |
–29 |
–33 |
–38 |
–48 |
–53 |
–53 |
–46 |
–47 |
–41 |
–36 |
–34 |
|
14 |
–23 |
–41 |
–42 |
–44 |
–42 |
–45 |
–45 |
–43 |
–39 |
–37 |
–40 |
–46 |
–46 |
|
15 |
–29 |
–26 |
–32 |
–35 |
–42 |
–44 |
–42 |
–37 |
–32 |
–30 |
–28 |
–30 |
–30 |
Изменения электронной концентрации во время возмущений в сравнении со спокойными соседними сутками в дневное время представлены в данной ра боте как отклонения в ( процентах ) от средних за 21
Таблица 2
Значения dN ( в %) за период 3–7 апреля 2005 г . ( возмущение 5 апреля ) на трех высотах и на высоте максимума слоя F2.
|
LT Н |
6 1 |
7 1 |
8 1 |
9 1 |
10 1 |
11 1 |
12 1 |
13 1 |
14 |
15 1 |
16 1 |
17 1 |
18 |
|
км |
Среднее dN за 3–4 апреля 2005 г . |
||||||||||||
|
170 |
–15 |
–3 |
1 |
2 |
–1 |
5 |
6 |
8 |
2 |
2 |
–1 |
5 |
6 |
|
190 |
–8 |
0 |
7 |
4 |
6 |
17 |
10 |
10 |
0 |
4 |
2 |
4 |
9 |
|
220 |
5 |
3 |
10 |
5 |
4 |
15 |
3 |
1 |
–6 |
4 |
–6 |
–4 |
2 |
|
H m F2 |
3 |
2 |
10 |
8 |
7 |
9 |
–4 |
–6 |
–11 |
0 |
–11 |
–6 |
–4 |
|
dN за 5 апреля 2005 |
г .( возмущение ) |
||||||||||||
|
170 |
–27 |
–17 |
–1 |
–10 |
–15 |
–19 |
–18 |
–20 |
–17 |
–11 |
–11 |
–13 |
–3 |
|
190 |
–45 |
–32 |
–19 |
–22 |
–30 |
–39 |
–38 |
–38 |
–29 |
–23 |
–21 |
–30 |
–24 |
|
220 |
–51 |
–50 |
–40 |
–35 |
–42 |
–49 |
–45 |
–42 |
–35 |
–30 |
–28 |
–41 |
–37 |
|
H m F2 |
–39 |
–51 |
–41 |
–37 |
–61 |
–42 |
–43 |
–37 |
–36 |
–34 |
–30 |
–35 |
–25 |
|
Среднее dN за |
6–7 апреля 2005 г |
. |
|||||||||||
|
170 |
–4 |
–4 |
–5 |
–5 |
–2 |
1 |
–2 |
–4 |
–1 |
–4 |
–1 |
–4 |
–1 |
|
190 |
–7 |
0 |
–9 |
–10 |
–1 |
–4 |
–6 |
–12 |
–1 |
–6 |
–5 |
–2 |
–8 |
|
220 |
–1 |
–4 |
–4 |
–8 |
8 |
–11 |
–10 |
–8 |
5 |
–2 |
–4 |
1 |
–12 |
|
H m F2 |
3 |
–4 |
–6 |
–7 |
13 |
–7 |
–12 |
3 |
3 |
–1 |
–2 |
0 |
–7 |
Таблица 3
Значения dN ( в %) за период 10–15 апреля 2005 г . ( воз мущение 12 и 13 апреля ).
|
LT Н |
6 1 |
7 1 |
8 1 |
9 1 |
10 1 |
11 1 |
12 |
13 1 |
14 |
15 1 |
16 |
17 1 |
18 |
|
км |
С |
реднее dN за 10–11 апреля 2005 г . |
|||||||||||
|
170 |
27 |
13 |
0 |
10 |
3 |
7 |
10 |
8 |
9 |
4 |
4 |
4 |
0 |
|
190 |
42 |
31 |
7 |
21 |
4 |
13 |
17 |
10 |
12 |
4 |
5 |
5 |
4 |
|
220 |
22 |
35 |
25 |
26 |
15 |
11 |
14 |
14 |
13 |
4 |
8 |
5 |
8 |
|
H m F2 |
17 |
37 |
23 |
23 |
18 |
10 |
10 |
10 |
14 |
9 |
7 |
5 |
10 |
|
dN за 12 апреля 2005 г . ( возмущение ) |
|||||||||||||
|
170 |
–14 |
–3 |
–9 |
–7 |
–6 |
–11 |
–11 |
–8 |
–9 |
–7 |
–7 |
–12 |
–9 |
|
190 |
–20 |
–19 |
–19 |
–16 |
–20 |
–28 |
–29 |
–19 |
–20 |
–17 |
–14 |
–16 |
–26 |
|
220 |
–4 |
–32 |
–25 |
–22 |
–36 |
–41 |
–37 |
–29 |
–21 |
–28 |
–12 |
–13 |
–20 |
|
H m F2 |
1 |
–18 |
–20 |
–20 |
–34 |
–38 |
–20 |
–29 |
–15 |
–22 |
–11 |
–11 |
–12 |
|
dN за 13 апреля 2005 г . ( возмущение ) |
|||||||||||||
|
170 |
–10 |
–12 |
–12 |
–10 |
–13 |
–14 |
–14 |
–14 |
–17 |
–12 |
–9 |
–13 |
2 |
|
190 |
–26 |
–23 |
–22 |
–21 |
–24 |
–29 |
–31 |
–29 |
–32 |
–23 |
–17 |
–25 |
–15 |
|
220 |
–37 |
–30 |
–27 |
–33 |
–35 |
–40 |
–47 |
–42 |
–28 |
–22 |
–27 |
–28 |
–22 |
|
H m F2 |
–34 |
–29 |
–21 |
–33 |
–33 |
–37 |
–46 |
–33 |
–6 |
–14 |
–27 |
–25 |
–20 |
|
С |
реднее dN за 14–15 апреля 2005 г . |
||||||||||||
|
170 |
–3 |
–2 |
0 |
1 |
8 |
2 |
4 |
1 |
–3 |
–1 |
3 |
4 |
4 |
|
190 |
–3 |
–10 |
–1 |
5 |
13 |
4 |
9 |
8 |
–1 |
4 |
5 |
9 |
8 |
|
220 |
–6 |
–9 |
1 |
6 |
12 |
10 |
16 |
11 |
12 |
17 |
13 |
25 |
15 |
|
H m F2 |
–4 |
–5 |
2 |
5 |
13 |
13 |
12 |
7 |
16 |
18 |
22 |
30 |
35 |
Реакция термосферы
Интересно рассмотреть изменение газового состава во время возмущений в сравнении с соседними спокойными днями. Для этого мы воспользовались разработанной авторами статьи методикой оценки относительного содержания атомарного кислорода в виде отношения концентраций атомов O и молекул N2 на опорном уровне средней и верхней термосферы 120 км (R1 = [O]/[N2]), а также отношений [O2]/[N2] и [O2]/[O]. Процедура оценки по указанной методике подробно описана в работе [6].
Оценки проведены с помощью уравнения регрес сии полуэмпирической модели ( ПЭМ ) [7]:
N / N av = X 1+ X 2[ n 1/(5 n 2+ n 3)]1.5 + X 3( n 1/ n 3)0.5(cos χ )0.5+
+ X 4 exp[–( T ex –600)/600]+ X 5 ( Е / E 0 ).
Здесь N – электронная концентрация . Величина N av определяет среднее значение N по всему объему ис пользованных данных отдельно для каждой высоты . X j – искомые коэффициенты уравнения модели , n 1 , n 2 , n 3 – соответственно концентрации частиц атомарно го кислорода , молекул кислорода и азота на высоте 120 км . T ex – температура экзосферы , или асимптоти ческая температура термосферы , χ – зенитный угол Солнца .
Второй член уравнения описывает зависимость N от атомных и молекулярных газовых частиц , третий член дает зависимость от cos χ , которая , в свою оче редь , зависит от отношения ( n 1 / n 3 ); четвертый член описывает связь N с T ex . Роль последних трех членов заключается в описании зависимости N от ионизи рующего излучения Солнца . Член X 5 ( E / E 0 ) показывает зависимость от относительной величины энергии по тока ионизирующего излучения в диапазоне 5–105 нм по модели спектрального распределения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца [8]. Величина Е рассчитывается по заданным значениям индекса сол нечной активности F 10.7 в единицах 10–22 Вт · м –2· Гц –1, при этом используются ежедневные значения ( F ) и ос - редненные по 81 дню с центром в рассматриваемый день ( F av ). E 0 – величина E при максимуме солнеч ной активности , когда F = F av =250. Коэффициенты уравнения были получены при использовании мо дели термосферы МСИС -86 [9] ( для определения n j , T ex ) и экспериментальных данных по N из наблюде ний методом вертикального зондирования ионо сферы в 1957–1967 гг . в Регулярные мировые дни в обсерватории Москва [10].
Полученная модель многократно использовалась для сравнения расчетных и экспериментальных дан ных по N на разных ионосферных станциях , по кото рым в МЦД - Б 2 имелись материалы расчетов высот ных профилей , при различных уровнях солнечной ак тивности для разных сезонов . Отметим , что полученная в общей форме зависимость N от состояния термосферы позволяет распространить ее применимость на все дол готы средних широт , несмотря на то , что коэффициенты уравнения рассчитаны по измерениям в одном геогра фическом пункте ( обсерватория Москва ).
Для проведения оценок относительного содержа ния атомарного кислорода мы использовали измере ния N , полученные с помощью дигизонда в полдень на высотах 120–200 км . В табл . 4 представлены ве личины отношений [O]/[N 2 ] и [O 2 ]/[O] в полдень с 1 по 17 апреля 2005 г . Отношение [O 2 ]/[O] – резуль тат деления отношения [O2]/[N2] на R 1=[O]/[N2].
Отчетливо проявляется понижение R1 в дни по- вышенных значений Ap – 5, 12 и 13 апреля. Значение
Таблица 4
Величины отношений [O]/[N2] и [O2]/[O] для апреля 2005 г .
|
Число |
[O]/[N 2 ] |
[O 2 ]/[O] |
A p |
|
1 |
0.33 |
0.38 |
9 |
|
2 |
0.31 |
0.40 |
9 |
|
3 |
0.32 |
0.48 |
5 |
|
4 |
0.35 |
0.41 |
16 |
|
5 |
0.19 |
1.34 |
36 |
|
6 |
0.30 |
0.36 |
11 |
|
7 |
0.22 |
0.75 |
7 |
|
8 |
0.28 |
0.46 |
4 |
|
9 |
0.26 |
0.42 |
4 |
|
10 |
0.33 |
0.45 |
4 |
|
11 |
0.31 |
0.50 |
9 |
|
12 |
0.20 |
1.31 |
33 |
|
13 |
0.20 |
1.55 |
30 |
|
14 |
0.32 |
0.38 |
19 |
|
15 |
0.24 |
0.53 |
14 |
|
16 |
028 |
0.56 |
7 |
|
17 |
0.25 |
0.56 |
7 |
R 1 в эти дни понижается более чем в полтора раза в сравнении с соседними спокойными в геомагнитном отношении днями .
В возмущенные дни резко повышается величина отношения [O 2 ]/[O], 5 апреля в 3–3.5 раза увеличива ется содержание молекулярного кислорода относи тельно атомарного . Примерно в такой же степени происходит рассматриваемое повышение 12 и 13 ап реля .
Заключение
Рассмотренные в статье возмущения в апреле 2005 г ., несмотря на весьма умеренные возмущения геомаг нитного поля ( когда среднесуточный индекс A p имел величины 30–36), характеризуются выраженными эффектами в электронной концентрации как в слое F2, так и на высотах области F1 выше 160 км . Эти возмущения ионосферы обусловлены существенными изменениями газового состава . Согласно нашим оценкам , относительное содержание атомарного ки слорода ([O]/[N2]) понижалось в полуденные часы возмущенных дней примерно в полтора раза . В то же время резко , примерно в 3.5 раза , возрастало отноше ние концентраций молекул и атомов кислорода на опорном уровне термосферы 120 км . При этом по следнее отношение отличается от предлагаемого мо делью термосферы наиболее сильно 5 апреля , когда наша оценка в 1.4 раза превышает модельное значение . Однако 12 и 13 апреля обсуждаемое отличие лежит в пределах от 8 до 11 %. Оценки относительного содер жания атомарного кислорода в возмущенные дни отли чаются от модельных значений не более чем на 9 %. Иначе говоря , эта величина во время возмущений близка к той , которая дается моделью термосферы МСИС -86 [9].
