Modeling the UT effect of zonal-averaged perturbations in the parameters of the upper atmosphere for the example of a geomagnetic storm in march 2015

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Ионосферные эффекты геомагнитных бурь являются наиболее изученным видом ионосферных возмущений. Согласно обзорам [1, 2] знак и интенсивность возмущений электронной концентрации в F-области ионосферы во время геомагнитных бурь зависят не только от амплитуды и продолжительности геомагнитных возмущений, но и от рассматриваемой широты, местного времени и сезона. Эти зависимости были подтверждены и по данным полного электронного содержания на довольно внушительном массиве данных [3, 4].

В настоящее время существует два сравнительно новых направления в исследованиях ионосферных эффектов бурь: 1) положительные эффекты последействия в F-области ионосферы, которые были выявлены по результатам моделирования [5] и подтверждены на основе статистического анализа данных наблюдений [6, 7]; 2) долготная, а точнее UT-зависимость ионосферных эффектов геомагнитных бурь, которую пытались изучать как на основании статистической обработки данных наблюдений [3, 7], так и с помощью результатов моделирования [8, 9]. Попытка исследований обоих этих направлений предпринималась в [10]. Однако следует отметить, что выявление долготной зависимости ионосферных эффектов бурь по данным наблюдений одной бури невозможно, поскольку это не будет отражать одну долготную зависимости, а будет содержать еще зависимость от локального времени на рассматриваемых долготах. Попытки статистического анализа ионосферных эффектов бурь сталкиваются с проблемой значительных различий в развитии геомагнитных бурь от случая к случаю. Это в совокупности с различным влиянием солнечной активности и атмосферно-ионосферных связей приводит к значительному разбросу ионосферных возмущений, даже во время схожих по интенсивности бурь, отсортированных по сезонам.

Поэтому представляется актуальным подход по использованию результатов моделирования ионосферных эффектов бурь с различными моментами начала, который был реализован в [8]. Такой подход позволит исследовать зависимость от времени начала по UT ионосферных эффектов как на главной фазе, так и эффектов последействия. Для краткости изложения в данной статье, так же как и в работе [11], рассматриваются среднезональные возмущения параметров верхней атмосферы. Таким образом, целью данной работы является исследование зависимости поведения зонально-усредненных возмущений параметров верхней атмосферы Земли от времени начала геомагнитной бури по UT.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Основой данного исследования являются результаты расчетов в рамках глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) для геомагнитной бури 17–23 марта 2015 г. с различными моментами начала по UT. Исторически геомагнитная буря 17 марта 2015 г. началась в 12 UT. Ионосферные возмущения этой геомагнитной бури с использованием результатов расчетов на модели ГСМ ТИП исследовались ранее и представлены в [5, 6, 12–14]. В модели ГСМ ТИП учет геомагнитных возмущений осуществлялся с использованием модели высыпаний авроральных электронов (входным параметром которой является AL-индекс), разработанной в Полярном геофизическом институте [15], а также эмпирической зависимости разности потенциалов через полярные шапки ΔФ [16] и широтного положения продольных токов второй зоны от AE-индекса геомагнитной активности [17]. Таким образом, индексы AE и AL с одноминутным временным разрешением являются управляющими параметрами модели ГСМ ТИП для учета эффектов геомагнитных бурь. При реализации модельных расчетов эффектов геомагнитных бурь с другими моментами начала по UT мы использовали поведение индексов AE и AL (рис. 1) со смещением на 6 и 12 ч назад по времени (бури с началом в 00 и 06 UT), а также на 6 ч вперед по времени (буря с началом в 18 UT). Таким образом, нами были рассмотрены четыре сценария абсолютно одинаковых геомагнитных бурь с моментами начала в 00, 06, 12 и 18 UT.

 

Рис. 1. Вариации индексов геомагнитной активности AE и AL для смещенных по времени моментов начала бурь, сверху вниз для 00 UT, 06 UT, 12 UT, 18 UT соответственно

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 2 представлены зонально-усредненные возмущения электронной концентрации в максимуме F2 слоя ионосферы, N_mF2, для бурь с выбранными моментами начала по UT. Прежде всего следует отметить то, что для всех представленных бурь положительные эффекты на фазе восстановления сосредоточены в экваториальной зоне с частичным смещением в северное полушарие. Интенсивность и широтная протяженность эффектов последействия больше для бурь с временем начала в 00 и 06 UT. В главную фазу всех рассматриваемых бурь можно выделить следующие сходства в поведении зонально-усредненных возмущений N_mF2: 1) отрицательные ∆N_mF2 в экваториальной зоне в период 0—12 ч после начала бурь; 2) положительные ∆N_mF2 на средних широтах, возникающие в течение первых 7 ч после начала бурь. Основными различиями в возмущениях N_mF2 на главной фазе бури являются: 1) в период от 0 до 10 ч после начала бури для бурь с временем начала в 12 и 18 UT присутствие положительных возмущений в высоких и средних широтах, которые отсутствуют для бурь с моментами начала в 00 и 06 UT (при этом длительность и интенсивность этих возмущений больше для бури с началом в 12 UT); 2) на более поздних этапах бурь с моментами начала в 00 и 06 UT происходит формирование положительных возмущений в экваториальной зоне и на средних широтах северного полушария, тогда как для бурь с моментами начала в 12 и 18 UT формируются отрицательные возмущения; 3) в высокоширотных областях во время бурь с моментами начала в 00 и 06 UT формируются отрицательные возмущения в течение практически всей главной фазы, тогда как для бурь с моментами начала в 12 и 18 UT формируются положительные возмущения в течение первых 12 ч, после чего следует отрицательная фаза.

 

Рис. 2. Широтно-временные карты зонально-усредненных возмущений N_mF2 для бурь с временем начала 00, 06, 12, 18 UT. Белыми линиями выделена главная фаза бури

 

Эффекты геомагнитных бурь в верхней атмосфере являются следствием нагрева термосферы, вызывающего появление дополнительного термосферного ветра к экватору и перестройку нейтрального состава термосферы, а также усиления электрического поля магнитосферной конвекции в главную фазу геомагнитной бури. Наши расчеты показали, что зонально-усредненные возмущения компонент электрического поля в ионосфере пренебрежимо малы вследствие усиления как восточного, так и западного электрического поля во время бури. Поэтому в данной работе мы не приводим результатов модельных расчетов зонально-усредненных возмущений электрического поля в ионосфере, а показываем результаты расчетов зонально-усредненных возмущений термосферных параметров для всех рассмотренных бурь. На рис. 3 представлены зонально-усредненные возмущения T_n для бурь с разными моментами начала. В зависимости от времени начала бурь изменяются как широтная протяженность, так и интенсивность этих возмущений. Самые слабые возмущения приходятся на бурю с моментом начала в 06 UT, а самый сильный разогрев термосферы в главную фазу бури происходит при начале бури в 00 UT. Во время бурь с моментами начала в 12 и 18 UT формируются наиболее интенсивные возмущения T_n на вторые и третьи сутки фазы восстановления. Такое поведение возмущений T_n для разных бурь определяет различия в появлении положительных/отрицательных возмущений N_mF2 на вторые и третьи сутки фазы восстановления.

 

Рис. 3. То же, что и на рис. 2 для возмущений T_n

 

Следует отметить, что именно возмущения зонально-усредненной температуры термосферы являются основной причиной вариаций нейтрального состава и скорости термосферного ветра, которые играют определяющую роль в формировании зонально-усредненных возмущений N_mF2. Известно, что буревое усиление ветра к экватору приводит к возникновению положительных возмущений в N_mF2 на средних и низких широтах, а отрицательные возмущения в n(O)/n(N₂) приводят к возникновению отрицательных возмущений в N_mF2 на высоких и средних широтах [1, 18]. На рис. 4 представлены зонально-усредненные возмущения меридиональной компоненты скорости термосферного ветра V_nΘ (с положительным направлением к экватору) для бурь с разными моментами начала. Для всех рассматриваемых бурь положительные возмущения в V_nΘ на главной фазе сосредоточены в периоды времени с 0 до 12 ч после начала бури. Самые интенсивные возмущения в северном полушарии приходятся на бурю с моментом начала в 12 UT, а самые интенсивные возмущения в южном полушарии приходятся на бурю с моментом начала в 00 UT. Также для бурь с моментами начала в 00 и 06 UT видны два схожих по амплитуде пика возмущений ветра к экватору: с 0 до 6 ч после начала бури и с 6 до 12 ч после начала бури. Этим двум пикам в дополнительном ветре к экватору соответствуют два пика в возмущениях N_mF2 в тех же временных промежутках. Для бурь с моментами начала в 12 и 18 UT второй пик в ветре к экватору значительно слабей первого, что приводит к отсутствию четкого второго пика в положительных возмущениях N_mF2 для этих бурь. Для всех геомагнитных бурь формирование положительных возмущений N_mF2 в субавроральных и средних широтах в главную фазу бури связано с дополнительным ветром к экватору.

 

Рис. 4. То же, что и на рис. 2 для возмущений V_nΘ (положительное направление выбрано к экватору)

 

На рис. 5 представлены зонально-усредненные возмущения n(O)/n(N₂) для бурь с разными моментами начала. В главную фазу всех рассматриваемых бурь формируются отрицательные возмущения n(O)/n(N₂) с наименьшими отрицательными возмущениями в области экватора и максимальными отрицательными возмущениями в области широт 30°—60° с.ш. и ю.ш. Формирование отрицательных возмущений N_mF2 в интервале от 12 до 23 ч после начала бурь с моментами начала в 12 и 18 UT связано с отрицательными возмущениями n(O)/n(N₂). Положительные возмущения на фазе восстановления сосредоточены на экваторе и низких широтах. В целом, для всех бурь положительные возмущения N_mF2 на фазе восстановления связаны с возмущениями n(O)/n(N₂), как отмечалось ранее [6]. При этом интенсивность и широтный охват этих возмущений несколько больше для бурь с временем начала в 00 и 06 UT, что связано с пространственно-временным распределением возмущений нейтральной температуры, рассмотренным выше. Это объясняет соответствующую картину эффектов последействия в N_mF2.

 

Рис. 5. То же, что и на рис. 2 для возмущений n(O)/n(N₂)

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были рассмотрены основные физические процессы, которые играют важную роль в формировании ионосферных эффектов на разных фазах развития геомагнитной бури, для бурь с разными моментами начала. Возмущения зонально-усредненной температуры термосферы являются основной причиной различий возмущений нейтрального состава и скорости термосферного ветра для бурь с различными моментами начала. Показано, что для рассматриваемого семейства бурь эффекты термосферного ветра являются существенными в формировании возмущений N_mF2 на главной фазе бури в первые 2—10 ч после начала бури. Следует отметить, что существующие отличия в среднезональных эффектах на главной фазе бури в N_mF2 бурь с различными моментами начала связаны с различиями возмущений ветра и состава термосферы и проявляются главным образом после 12 ч с момента начала геомагнитной бури.

Для всех рассматриваемых бурь механизмом формирования ионосферных эффектов последействия в виде положительных возмущений N_mF2 являются возмущения n(O)/n(N₂) на высотах F-области ионосферы. Время начала формирования эффектов последействия зависит от времени начала геомагнитной бури. Показано, что амплитуда и широтная протяженность среднезональных эффектов последействия зависят от времени UT начала бури. Это объясняется различиями в возмущениях нейтральной температуры и n(O)/n(N₂) для бурь с разными моментами начала по UT.

Различия в возмущениях среднезональных параметров для разных бурь указывает на то, что ионосферные эффекты одинаковых бурь с одинаковыми моментами начала по LT (соответственно с различными по UT) на разных долготах могут значительно отличаться. В дальнейшем планируется рассмотреть термосферно-ионосферные эффекты бурь с различными моментами начала на разных долготах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-17-00208).

作者简介

K. Belyuchenko

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: kdei@list.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Kaliningrad

M. Klimenko

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: kdei@list.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk; Kaliningrad

V. Klimenko

Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: kdei@list.ru
俄罗斯联邦, Kaliningrad

K. Ratovsky

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kdei@list.ru
俄罗斯联邦, Irkutsk

参考

补充文件