Вариации F-рассеяния в ионосфере средних широт и их связь с солнечной и геомагнитной активностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Непомнящая, Елена Валериевна

• Непомнящая, Елена Валериевна
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Непомнящая, Елена Валериевна

Введение.

Глава 1.Явление Е-рассеяния в ионосфере средних широт (обзор).

1.1. Типы и характеристики Р-рассеяния.

1.2. Образование Р-рассеяния.

1.3. Пространственно-временные особенности Р-рассеяния.

1.4. Квазидвухлетние вариации.

Глава 2. Ночное среднеширотное Е-рассеяние.

2.1. Основные закономерности.

2.2. Интерпретация.

2.3. Выводы.

Глава З.Среднеширотное Е-рассеяние в восходно-заходные периоды

3.1. Основные закономерности.

3.2. Обсуждение.

3.3. Выводы.

Глава 4. Квазидвухлетние вариации области F2 ионосферы и их зависимость от солнечной и геомагнитной активности.

4.1. Квазидвухлетние вариации критической частоты слоя F2.

4.2.Квазидвухлетние вариации вероятности F-рассеяния.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вариации F-рассеяния в ионосфере средних широт и их связь с солнечной и геомагнитной активностью»

Предметом диссертационной работы является среднеширотное F-рассеяние, различные его вариации и их связь с солнечной и геомагнитной активностями.

Актуальность работы. Впервые явление F-рассеяния было обнаружено и определено как наличие размытых, диффузных отражений на ионограммах вертикального зондирования при отражении от области F2 ионосферы более 60 лет назад (Booker and Wells, 1938). Поскольку при F-рассеянии на ионограммах трудно, а подчас и невозможно точно определить критические частоты и высоты отражений, это явление какое-то время считалось помехой, уменьшающей количество полезной информации. Но по мере развития знаний об ионосфере было установлено, что F-рассеяние обусловлено неоднородностями концентрации электронов и, тем самым, является источником информации о неоднородной структуре ионосферы. В настоящее время интерес к изучению этого явления обусловлен несколькими обстоятельствами. Задача изучения неоднородностей, связанных с F-рассеянием, является составной частью одной из фундаментальных проблем физики ионосферной плазмы - исследования полного спектра (от см до тысяч км) неоднородной структуры ионосферы. При обеспечении устойчивой работы линий связи и других радиотехнических систем KB -УКВ диапазона, в которых предъявляются особые требования к надежности выделения сигнала на фоне помех в различных гелио- и геофизических условиях, возникает необходимость более точного прогнозирования условий распространения радиоволн, основанного на моделях ионосферы, учитывающих ее тонкую структуру. Создание и совершенствование моделей ионосферы такого типа продолжается, однако моделей, удовлетворяющих всем требованиям прикладного характера, до сих пор нет. Возросшее в последние десятилетия техногенное воздействие на высотах F-слоя ионосферы заставило обратить особое внимание на проблему экологии ионосферы. В данном аспекте F-рассеяние можно использовать в качестве индикатора возмущенности ионосферы при мониторинге ее состояния.

Несмотря на большой объем знаний об F-рассеянии, накопленный за последние десятилетия, далеко не все закономерности изменения F-рассеянии надежно установлены и, тем более, изучены. Это относится и к среднеширотному Б-рассеянию. Известно, что среднеширотное Б-рассеяние -преимущественно ночное явление и в это время суток вероятность появления Б-рассеяния максимальна зимой при низком уровне солнечной активности. Однако многие детали вероятности появления Б-рассеяния в ночные, утренние и вечерние часы не были надежно установлены, например, зависимость характера годовых изменений этой вероятности от уровней солнечной и геомагнитной активности и особенности ее квазидвухлетних вариаций.

Цель работы - анализ закономерностей вероятности появления среднеширотного Б-рассеяния в ночные и восходно-заходные часы, выделение на этой основе не установленных ранее закономерностей и их интерпретация. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Создать базу данных вероятности появления Б-рассеяния (?) на основе обработки ионограмм вертикального зондирования ионосферы ст. Москва (55,5 N. 37,3 Е), полученных через каждые 15 минут во все часы суток за 1975-1985 годы, для анализа.

2. Используя эту базу данных, выполнить исследование закомерностей изменения Р: а) выявить для всех сезонов особенности зависимости Р от местного времени в минимуме и максимуме солнечного цикла; б) выявить закономерности и связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы; в) определить особенности изменения характера годовых изменений Р при переходе от низкой к высокой солнечной активности и оценить вклад геомагнитной активности в эти изменения; г) выявить квазидвухлетние вариации Р и определить связь этих вариаций с уровнями солнечной и геомагнитной активности.

3. Дать интерпретацию установленных закономерностей.

Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые:

1. Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности ^рассеяния Р от уровня солнечной активности: с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам.

2. Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности: при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия.

3. Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы: этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем.

4. Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности: эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности.

5. Дана качественная интерпретация полученных закономерностей. Обосновано, в частности, что равноденственные максимумы Р в ночные часы при высокой солнечной активности связаны с соответствующими максимумами частоты возникновения суббурь как источников генерации внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере авроральной области и с уменьшением затухания распространяющихся к низким широтам ВГВ при переходе к высокой солнечной активности, в основном, из-за уменьшения коэффициента молекулярной вязкости и теплопроводности.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы: а) для прогноза условий распространения радиоволн в среднеширотной ионосфере; б) при проектировании различных радиотехнических систем КВ-УКВ диапазонов; в) в дальнейших исследованиях механизмов генерации неоднородностей в ионосферной плазме.

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, повторяемостью полученных результатов для близких, но разнесенных по времени гелиогеофизических условий, физической обоснованностью известных исходных уравнений и положений, использованных при интерпретации установленных закономерностей.

На защиту выносятся:

1. Установленные закономерности вероятности появления среднеширотного F-рассеяния Р:

- зависимость времени достижения ночного максимума Р от уровня солнечной активности;

-зависимость относительного вклада годовой и полугодовой компонент в сезонные изменения Р в ночные часы от уровня солнечной активности и зависимость вклада геомагнитной активности в эти изменения от уровня солнечной активности;

- связь утреннего и вечернего максимумов Р от условий освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы.

2. Выявленные связи квазидвухлетних вариаций Р с уровнями солнечной и геомагнитной активности.

3. Результаты интерпретации установленных закономерностей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на объединенном общеинститутском семинаре ИЗМИРАН по Физике Солнца, VI Всесоюзном совещании по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1986 г.), Межведомственном семинаре "Результаты комплексных исследований по данным измерений ИСЗ Ж-19" (Калуга, 1988 г.), VIII совещании-семинаре "Неоднородная структура ионосферы" (Н.Новгород, 1991 г.), конференции по «Солнечно-земной физике» (Иркутск. 2004 г.) Работа выполнялась в рамках НИР ИЗМИРАН и грантов РФФИ 98-02-16189, 01-02-16307, 04-02-16374.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Личный вклад автора состоит в создании базы данных вероятности F-рассеяния, обработке этих данных, совместном анализе и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 152 страницы печатного текста, 38 рисунков, 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 111 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Непомнящая, Елена Валериевна

4.3. Выводы

1. С помощью фильтрации впервые выявлены квазидвухлетние вариации (КДВ) критической частоты -/c»F2 и показано, что они выделяются также надежно, как и КДВ дециметрового излучения Солнца Рюл» Сопоставление этих величин показало, что для трех солнечных циклов КДВ /оР2 изменяются почти синхронно с КДВ Н|о.75 а амплитуда Д/ уменьшается приблизительно в два раза при переходе от дневных к ночным условиям.

2. Зависимость КДВ критической частоты Л/ от КДВ дециметрового излучения Солнца АР является основной и, безусловно, значимой. Эта зависимость в конечном итоге обусловлена еще более отчетливой зависимостью среднегодовых значений /оР2 от среднегодовых значений ^юп через процессы ионизации и нагрева термосферы. Зависимость А/ от АР почти не зависит от широты. Поэтому для анализа зависимости Д/ от АР в этом интервале широт достаточно использовать данные одной ионосферной станции.

3. Зависимость А/от КДВ индекса геомагнитной активности ААр не значима, что связано с относительно низкими среднегодовыми значениями ^-индекса геомагнитной активности. Тем не менее, наблюдается отчетливая тенденция к изменению характера этой зависимости с широтой - на относительно высоких широтах антикорреляция между Д/ и ААр становится более отчетливой. Эта тенденция во многом аналогична усилению отрицательной фазы ионосферной бури с широтой, в основном, из-за изменения состава термосферы при переходе от спокойных к магнитовозмущенным условиям.

4. Увеличение солнечной активности приводит к уменьшению квазидвухлетних вариаций вероятности появления Р-рассеяния АРуг и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива в предполуночные часы и значима. Увеличение геомагнитной активности приводит к увеличению ДР^ и, при прочих равных условиях, эта зависимость наиболее отчетлива и значима в послеполуночные часы. В целом вклад геомагнитной активности в изменения АРуг более важен, чем вклад солнечной активности, что, по-видимому, связано с относительно высокой амплитудой квазидвухлетних вариаций геомагнитной активности в анализируемый интервал времени.

142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги проведенного исследования, суммируем вкратце основные результаты работы:

1. Установлена зависимость времени достижения ночного среднеширотного максимума вероятности ^-рассеяния Р от уровня солнечной активности: с ростом солнечной активности это время смещается к утренним часам.

2. Установлен разный характер годовых изменений Р ночью в периоды низкой и высокой солнечной активности: при низкой активности преобладает годовая компонента Р с максимумом зимой и минимумом летом, при высокой - годовая и полугодовая компоненты Р с максимумами зимой и в равноденствия.

3. Установлена связь появления утреннего и вечернего максимумов Р с условиями освещенности данной и магнитосопряженной ионосферы: этот максимум появляется только зимой до восхода и после захода Солнца над данным пунктом, когда магнитосопряженная ионосфера освещена Солнцем.

4. Выявлена зависимость амплитуды квазидвухлетних вариаций Р в ночные часы от уровней солнечной и геомагнитной активности: эта амплитуда уменьшается с ростом уровня солнечной активности и увеличивается с ростом геомагнитной активности.

5. Дана качественная интерпретация полученных закономерностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Непомнящая, Елена Валериевна, 2007 год

1. Абрамчук В.П, Ружин Ю.Я. Магнитосопряженная генерация спорадических образований в Е-области ионосферы // Дифракция и распространение радиоволн в неоднородных средах / Под ред. Лукина Д.С., M.: МФТИ. 1987. С. 83-88.

2. Авакян C.B., Дробжев В.И., Краснов В.М. Волны и излучение верхней атмосферы. Алма-Ата. Наука. 1981. С. 165.

3. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М.: Наука. 1960. Антонов A.M., Непомнящая Е.В., М.Н.Фаткуллин Явление F-рассеяния в дневной среднеширотной ионосфере // Геомагнетизм, и аэрономия. 1987. Т.27. № 5. С.831-833.

4. Антонова Л.А., Иванов-Холодный Г.С., Чертопруд В.Е. Аэрономия слоя Е (учет вариаций УФ-излучений Солнца и геомагнитных возмущений). М.: "Янус". 1996. С. 168.

5. Выборное Ф.И., Митякова Э.Е., Рахлин A.B. Особенности поведения индекса среднеширотного F-рассеяния//Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40. № 3. С.322-326.

6. Галкин А.И., Ерофеев Н.М., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д.

7. Ионосферные измерения. М.: Наука. 1971. С. 174.

8. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука. 1974. С. 256.

9. Гершман Б.Н. Механизмы возникновения ионосферных неоднородностей вобласти F //Ионосферные исследования. 1980. №4. С. 17-27.

10. Гершман Б.Н., Григорьев Г.И. Перемещающиеся ионосферные возмущения

11. Обзор)//Изв. Вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 1. С.5-27.

12. Гершман Б.Н., Ерухимов JI.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере икосмической плазме. М.: Наука. 1984. С.392.

13. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука. 1984. С. 141. Гневышев М.Н. Корона и 11-летний цикл солнечной деятельности // Астрон. ж. 1963. Т. 40. N 3. С.401-412.

14. Гончар Г.А., Жантаурова Р.Б., Коломеец Е.В., Слюняева Н.В. Частотные спектры и динамика длиннопериодных вариаций изотропного и анизотропного потоков // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1982. Т.46. N 9. С.1739-1741.

15. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир. 1978. С.532.

16. Данилов А.Д., Морозова Л.Д. Ионосферные бури в области F2. Морфология ифизика. 1985. Т.25. № 5. С.705-721.

17. Деминов М.Г., Иванов-Холодный Г.С., Непомнящая Е.В. Зависимость квазидвухлетних вариаций критической частоты Р2-слоя от индексов солнечной и геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42.№ i.e. 112-115.

18. Дробжев В.И., Куделин Г.М., Нургожин В.И., Пеленицын Г.М., Рудина М.П., Троицкий Б.В., Яковец А.Ф. Волновые возмущения в ионосфере. Алма-Ата. Наука. 1975. С. 187.

19. Ерухимов JIM. Исследование неоднородной электронной плотности в ионосфере радиоастрономическими методами и с помощью искусственных спутников Земли (обзор)//Изв.вузов. Радиофизика. 1962. Т.5. № 5. С. 939865.

20. Ерухимов JIM., Максименко О.И., Мясников E.H. О неоднородной структуре верхней ионосферы. //Ионосферные исследования. М.: Сов. радио. 1980. N 30. С.27-48.

21. ЕрухимовЛ.М., Метелев С.А., Митякова Э.Е., Мясников E.H., Рахлин A.B., Урядов В.П., Фролов B.JI. Экспериментальные исследования искусственной ионосферной турбулентности // В сб. Тепловые нелинейные явления в плазме. ИПФ АН СССР. Горький. 1979. С.7-45.

22. Ерухимов Л.М., Э.Е.Митякова. Неоднородная структура ионосферы и ее связь с волновыми возмущениями. // Динамика ионосферы. Алма-Ата. Тылым". 1991. С. 18-25.

23. Калинин Ю.Д. О некоторых вопросах изучения вековых вариаций земногомагнетизма//ТрудыНИИЗМ. 1952. Вып.8(18). С.5-11.

24. Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Временные закономерности поведениядиффузных отражений в гелиоцикле по данным ст.Иркутск. // Исследованияпо геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1979. Вып.47.1. С.67-69.

25. Кокоуров В.Д., Чернобровкина H.A. Динамикапроцессов рассеянных отражений по наблюдениям на ст. Иркутск //Ионосферные исследования. 1969. №17. С.209-213.

26. Кринберг И.А., Тащилин A.B. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука. 1984. С.189.

27. Мурадов А., Мухаметназарова А. Количественные характеристики F-рассеярия по данным вертикального зондирования. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1982. Вып.59. С.24-28.

28. Земли. II Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли (сб.научных трудов). М.: Наука. 1971. С.104-118.

29. Поляков В.М., Щепкин JI.A., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д.

30. Ионосферные процессы. Новосибирск: Наука. 1968. С.535.

31. Ривин Ю.Р. Циклы Земли и Солнца. М.: Наука. 1989. С. 165.

32. Ривин Ю.Р., Обридко В.Н. Циклическое изменение потокавысокоэнергичных нейтрино Солнца//Астрон. ж. 1997. Т.74. N 1. С.83-92.

33. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. М.: Наука.1977. С. 344.

34. Рыжов Ю.А. Аномальное поглощение электромагнитных волн в случайно неоднородной бесстолкновительной магнитоактивной плазме // ЖЭТФ. 1977. Т.7. Вып. 1.С. 141.

35. Сомсиков В.М. Солнечный терминатор и динамика атмосферы. Алма-Ата. Наука. 1983. С. 192.

36. Apostolov Е.М. Quasi-biennial oscillation in sunspot activity // Bull. Astron. Inat. Czechosl. 1985. V. 36. N2. P.97-102.

37. Bilitza D. International Reference Ionosphere Status 1995/96 // Adv. Space Res. 1997. V. 20. N9. P. 1751-1754.

38. Booker H.G. A local reduction of F-region ionization due to missile transit //J/Geophys. Res. 1961. V.66. N 4. P. 1073-1079.

39. Booker H.G., P.K.Pasmicha, W.J.Powers. Use of scintillation theory to explain frequency-spread on F-region ionograms // J.Atm. Terr. Phys. 1986. V.48. N 4. P.327- 354.

40. Bowman G.G. Further studies of "spread-F" at Brisbane, 2, Interpretation //Planet. And Space Sci. 1960b. V. 2. N 2/3. P.150-156.

41. Bowman G.G. Ionospheric spread-F sunspot activity and geomagnetic activity. // Nature.Phys.Sci. 1971. V.229. N 4. P. 117-118.

42. Bowman G.G. Latitude dependence of the time delay in spread-F occurrence following geomagnetic activity// J.Atmos. and Terr.Phys. 1979. V.41. N 9. P.999-10004.

43. Bowman G.G. Movements of ionospheric irregularities and gravity waves

44. J.Atmos. and Terr. Phys. 1968. V.30. N 5. P.721-734.

45. Bowman G.G. Spread-F occurrence in mid and low-latitude regions related tovarious levels of geomagnetic activity. // J.Atmos. and Terr.Phys. 1982. V. 44. N 7.1. P.585-589.

46. Briggs B.H. A study of the ionospheric irregularities whicth cause spread-F echoes and scintillations of the radio stars // J.Atmos. and Terr. Phys. 1958. V.12. N 1. P.34-42.

47. Briggs B.H. Observation of radio star scintillation and F-spread echoes over a solarcycle // J.Atm. and Terr.Phys. 1964. V.26. P. 1-23.

48. Cohen R., Bowles k. On the nature of equatorial spread-F // J/Geophys.Res. 1961. V.66.N4. P.1081-1106.

49. Currie R.G. // J. Geophys. Res. 1966. V. 71. N 19. P.4579.

50. Dason P.L. Topside spread-F at midlatitudes. // J.Geophys.Res. 1968. V.73. N 7.1. P.2441-2446.

51. Fejer B.G., Kelley M.C. Ionospheric irregularities. // Revs Geophys. and Space Phys. 1980. V.18. N 2. P.401-454.

52. Fremow E.L., Rino C.L. An empirical model for average F-layer scintilation at VHF/UHF//Radio Sci. 1973. V.8. N 3. P.2130-222.

53. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights. // Canad. J. Phys. 1960. V.38. P. 1441-1481.

54. McNicol R.W.E., Webster H.G., Bowman G.G. A study of spread F ionospheric echoes at night at Brisbane //Austr. J. Phys. 1956. N 2. P.247-251. Munro G.H. Short-period variations in the ionosphere //Nature. 1949. V. 163. N 4/ST. P.812-814.

55. Pitteway M.L.V., Cohen R. A waveguide interpretation of "temperate-latitude spread-F" of equatorial ionograms // J.Geophys.Res. 1961. V.66. N 10. P.3141-3156.

56. Renau Y.A. A study of observed spread-F // J.Geoph.Res. 1960. V.65. N 10. P.3219.

57. Schunk R.W., Nagy A.F. Ionospheres of the terrestrial planets // Rev. Geophys.and Space Phys. 1980. V.18. N 4. P.813-852.

58. Shapiro R. and Ward F. // J. Atmospher. Sci. 1962. V. 19. P. 506.

59. Shimazaki T. A statistical study of world-wide occurence probability of spread

60. F,I. //J.Rad.Res.Lab., Japan. 1959. V. 6. N 28. P.669-705.

61. Singleton D.G. The morphology of spread-F occurrence over half a sunspot cycle.

62. J.Geophys.Res. 1968. V. 73. N 1. P.295-308.

63. Titheridge J.E. Periodic disturbances in the ionosphere.// J. Geophys. Res. 1968. V.73.N 1. P.243-252.

64. VlasovMichael N., Michael J. Nicolls, and Michael C.Kelly. Modelingof airglow andionosphericparametersat Arecibo during quiet and disturbed periods in October 2002 // J.Geophys. Res. 2005. V. 110. A07303.

65. Wand R.H. A model representation of the ionospheric electric field over Millstone

66. Hill (A = 56°) // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. N A7. P. 5801-5808.

67. Wrenn G.L., Rodger A.S. Geomagnetic modification of the midlatitude ionosphere:

68. Toward a strategy for the improved forecasting foF2 // Radio Sci. 1989. V.24. N 1.1. P.99-111.

69. Wright R.W., Koster Y.R., Skinner N.Y. Spred F layer echoes and radio star scintillation.//J.Atm. and Terr.Phys. 1956. V. 8. P.240-246.