The Impact of Large Atmospheric Vortices on the Earth’s Ionosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The impact of large atmospheric vortices on the stratosphere, upper atmosphere, and ionosphere is considered using tropical cyclones as an example. At stratospheric heights in the ozone layer, the influence manifests itself as variations in the ozone concentration and total content, while in the upper atmosphere and ionosphere, it is manifested as disturbances of the electron concentration. To analyze such disturbances in the upper atmosphere, we used data from a regional network of VLF radio occultation stations. The ionosphere was studied using the Swarm satellite observations. Experimental data suggest that disturbances can be transmitted in the atmosphere by a wave mechanism. Theoretical estimates based on meteorological data were carried out to determine the frequencies of waves generated by cyclones. The internal gravity waves generated by the cyclone partly reach the stratosphere and ionosphere and can cause variations not only in the total Ozone content in the stratosphere, but also in the phase and amplitude of the VLF signal in the lower ionosphere and directly in the plasma density in the upper ionosphere. The structure of the selected responses shows the possibility of interaction of internal waves from different sources.

About the authors

V. I. Zakharov

Moscow State University; Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS; Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS

Email: zvi_555@list.ru
Moscow, Russia

M. S. Solovieva

Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS

Moscow, Russia

S. L. Shalimov

Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS; Space Research Institute RAS

Moscow, Russia

References

  1. Абурджаниа Г.Д., Харшиладзе О.А., Чаргазиа Х.З. Самоорганизация ВГВ структур в неоднородной поносфере. 2. Нелинейные вихревые структуры // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 53. № 6. С. 797–808. 2013. https://doi.org/10.7868/S0016794013060023
  2. Ванина-Дарт Л.Б., Покровская И.В., Шарков Е.А. Реакция нижней экваториальной поносферы на сильные тропические возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 2. С. 255–260. 2008.
  3. Ванина-Дарт Л.Б., Шарков Е.А. Основные результаты современных исследований физических механизмов взаимодействия тропических циклонов и поносферы // Исследование Земли из космоса. № 3. С. 75–83. 2016. https://doi.org/10.7868/S020596141603009X
  4. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в поносфере. Л.: Гидрометеоиздат, 268 с. 1987.
  5. Дробязко И.Н., Красильников В.Н. Генерация акустико-гравитационных волн атмосферной турбулентистоты // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 28. № 11. С. 1357–1365. 1985.
  6. Захаров В.И., Куницын В.Е. Региональные особенности атмосферных проявлений тропических циклонов по данным наземных GPS сетей // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 4. С. 562–574. 2012.
  7. Захаров В.И., Пилипенко В.А., Грушин В.А., Хамидуллин А.Ф. Влияние тайфуна VongFong 2014 на поносферу и геомагнитное поле по данным спутников SWARM: 1. Волновые возмущения поносферной плазмы // Солнечно-земная физика. Т. 5. № 2. С. 114–123. 2019. https://doi.org/10.12737/szf-52201914
  8. Захаров В.И., Соловьева М.С., Шалимов С.Л., Акперов М.Г., Коркина Г.М., Булатова Н.Р. Отклик верхней атмосферы на внетропические циклоны // Солнечно-земная физика. Т. 11. № 1. С. 77–87. 2025. https://doi.org/10.12737/szf-111202509
  9. Костин В.М., Беляев Г.Г., Бойчев Б., Овчаренко О.Я., Трушкина Е.П. Моносферные предвестники усиления уединенных тропических циклонов по данным спутников ИКБ-1300 и Космос-1809 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 55. № 2. С. 258–273. 2015. https://doi.org/10.7868/S0016794015020121
  10. Нерушев А.Ф. Воздействие интенсивных атмосферных вихрей на озоновый слой Земли. СПб.: Гидрометеоиздат, 223 с. 2003.
  11. Шалимов С.Л., Захаров В.И., Соловьева М.С., Булатова Н Р., Коркина Г.М., Сигачев П.К. Об отклике поносферы на сильные тропосферные возмущения // Исследование Земли из космоса. № 6. С. 106–117. 2023. https://doi.org/10.31857/S0205961423060088
  12. Шалимов С.Л., Соловьева М.С. Отклик поносферы на прохождение тайфунов по наблюдениям методом СДВ радиопросвечивания // Солнечно-земная физика. Т. 8. № 3. С. 54–61. 2022. https://doi.org/10.12737/szf-83202208
  13. Шулейкин В.В. Расчет развития движения и затухания тропических ураганов и главных волн, создаваемых ураганами. Л.: Гидрометеоиздат, 96 с. 1978.
  14. Ясюкевич Ю.В., Едемский И.К., Перевалова Н.П., Полякова А.С. Отклик поносферы на гелио- и геофизические возмущающие факторы по данным GPS. Иркутск: ИГУ, 160 с. 2013.
  15. Al-Kallas S., Al-Mutairi M., Basset H.A., Badawy A., Abdeldym A., Morsy M. Ozone variation during the development of a tropical cyclone: Case study // Atmosphere. V. 12. № 12. ID 1582. 18 p. 2021. https://doi.org/10.3390/atmos12121582
  16. Bertin F., Testud J., Kersley L. Medium scale gravity waves in the ionosphere: F-region and their possible origin in weather disturbances // Planet. Space Sci. V. 23. № 3. P. 493–507. 1975. https://doi.org/10.1016/0032-0633(75)90120-8
  17. Chou M.Y., Lin C.H., Yue J., Tsai H.F., Sun Y.Y., Liu J.Y., Chen C.H. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016) // Geophys. Res. Lett. V. 44. № 3. P. 1219–1226. 2017a. https://doi.org/10.1002/2016GL072205
  18. Chou M.Y., Lin C.H., Yue J., Chang L.C., Tsai H.F., Chen C.H. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016) // Geophys. Res. Lett. V. 44. № 15. P. 7569–7577. 2017b. https://doi.org/10.1002/2017GL073961
  19. Das B., Sen A., Pal S., Haldar P.K. Response of the sub-ionospheric VLF signals to the super cyclonic storm Amphan: First observation from Indian subcontinent // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 220. ID 105668. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105668
  20. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 62. № 8. P. 685–693. 2000. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00029-8
  21. Haldoupis C., Shalimov S. On the altitude dependence and role of zonal and meridional wind shears in the generation of E region metal ion layers // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 214. ID 105537. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105537
  22. Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and traveling ionospheric disturbances: 1982–1995 // Ann. Geophys. V. 14. № 9. P. 917–940. 1996. https://doi.org/10.1007/s00585-996-0917-6
  23. Hocke K., Kampfer N., Flury T. Ozone as a tracer of short period gravity waves in the stratosphere and lower mesosphere // Abstracts book EGU General Assembly, 19–24 April 2009, Vienna, p. 9794. https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2009/EGU2009-9794.pdf
  24. Kelley M.C., Heelis R.A. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. San Diego, CA: Academic Press, 487 p. 1989.
  25. Li D., Vogel B., Müller R., Bian J., Günther G., Riese M. Tropical cyclones reduce ozone in the tropopause region over the Western Pacific: An analysis of 18 years ozone sound profiles // Earth’s Future. V. 9. № 2. ID e2020EF001635. 2021. https://doi.org/10.1029/2020EF001635
  26. Medvedev А.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. — Space. V. 122. № 7. P. 7567–7580. 2017. https://doi.org/10.1002/2017JA024103
  27. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R. et al. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF) and Swarm data products // Earth Planets Space. V. 65. № 11. P. 1189–1200. 2013. https://doi.org/10.5047/cps.2013.07.001
  28. Pilewskie J., Stephens G., Takahashi H., L'Ecuyer T. A multi-satellite perspective on “Hot Tower” characteristics in the equatorial trough zone // Surv. Geophys. V. 45. № 6. P. 1933–1958. 2024. https://doi.org/10.1007/s10712-024-09868-2
  29. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR reanalysis data // Adv. Space Res. V. 48. № 7. P. 1196–1210. 2011. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014
  30. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Comparative analysis of TEC disturbances over tropical cyclone zones in the North-West Pacific Ocean // Adv. Space Res. V. 52. № 8. P. 1416–1426. 2013. https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.07.029
  31. Rozhnoi A., Solovieva M., Levin B., Hayakawa M., Fedun V. Meteorological effects in the lower ionosphere as based on VLF/LF signal observations // Nat. Hazard. Earth Sys. V. 14. № 10. P. 2671–2679. 2014. https://doi.org/10.5194/nhess-14-2671-2014
  32. Singh D., Singh V. Impact of tropical cyclone on total ozone measured by TOMS–EP over the Indian region // Curr. Sci. India. V. 93. № 4. C. 471–476. 2007. http://www.jstor.org/stable/24099213
  33. Thomson N.R. Experimental daytime VLF ionospheric parameters // J. Atmos. Sol. -Terr. Phy. V. 55. № 2. P. 173–184. 1993. https://doi.org/10.1016/0021-9169(93)90122-F
  34. Thomson N.R., Clilverd M.A. Solar cycle changes in daytime VLF subionospheric attenuation // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 62. № 7. P. 601–608. 2000. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00026-2
  35. Vadas S.L., Fritts D.C. Influence of solar variability on gravity wave structure and dissipation in the thermosphere from tropospheric convection // J. Geophys. Res. — Space. V. 111. № 10. ID A10512. 25 p. 2006. https://doi.org/10.1029/2005JA011510
  36. Zakharov V.I., Sigachev P.K. Ionospheric disturbances from tropical cyclones // Adv. Space Res. V.69. № 1. P. 132–141. 2022. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.09.025
  37. https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/
  38. http://ultramsk.com
  39. http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/Swarm
  40. http://space.newscientist.com/article/dn7929
  41. https://www.jma.go.jp/jma/indexe.html
  42. https://worldview.earthdata.nasa.gov
  43. https://ladsweb.modaps.cosdis.nasa.gov

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).