Афраймович Э.Л., Астафьев Э.И., Воейков С.В. Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури

Научная статья

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1964а распространении уединенной внутренней гравитационной

волны во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г.

Э.Л. Афраймович fafra@iszf.irk.ru), Э.И. Астафьева, СВ. Воейков Институт солнечно-земной физики СО РАН

1.аа ВВЕДЕНИЕ

Исследования уединенных волн (солитонов) в атмосфере Земли представляет большой научный и практический интерес [Пелиновский, 1977; Уизем, 1977; Савина, Ерухимов, 1981]. Одним из видов крупномасштабных атмосферных возмущений на уровне ионосферного слоя F являются крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (КМПИВ). Существование КМПИВ принято связывать с распространяющимися в ионосфере крупномасштабными внутренними гравитационными волнами (ВГВ).

Основные свойства ПИВ удается объяснить в рамках линейной теории (см., например, [Гершман, Григорьев, 1968; Григорьев, 1999]). Вместе с тем в ряде случаев наблюдаются ПИВ, характеристики которых свидетельствуют о необходимости привлечения нелинейной теории. Решению этой проблемы посвящено много теоретических работ [Пелиновский, 1977; Савина, Ерухимов, 1981], в которых обосновывается теоретическая возможность существования солитонов в атмосфере. Однако, до сих пор не было получено прямой экспериментальной регистрации этого физического явления.

Исследование пространственно-временных характеристик процесса распространения интенсивных КМПИВ с одновременным анализом всего спектра ионосферных неоднородностей, сопровождающих этот процесс, необходимо также для проверки различных механизмов генерации на средних широтах ионосферных неоднородностей малого (100-1000 м) и промежуточного (1-10 км) масштабов [Гершман, 1974; Гершман, 1980; Гершман, Казимировский, Кокоуров, Чернобровкина, 1984]. В дальнейшем для удобства изложения в известной степени условно будем относить эти неоднородности к классу мелкомасштабных неоднородностей (ММН).

Интерес к ММН обусловлен тем, что с ними связывают явление ^-рассеяния KB и мерцания радиосигналов ИСЗ в метровом и дециметровом диапазонах (в частности GPS), снижающие эффективность функционирования спутниковых радиотехнических систем [Scone, Jong, 2000, 2001; Афраймович и др., 2002; Conker et al., 2003]. Диагностика таких неоднородностей представляет также большой интерес в решении проблемы предсказания землетрясений [Pilipenko et al., 2001].

В авроральных и на экваториальных широтах существуют условия для развития различных вида неустойчивостей ионосферной плазмы [Fejer, Kelley, 1980; Гершман, Ерухимов, Яшин, 1984; Гельберг, 1986]. При расширении аврорального овала расширяется и область с развитыми ММН. Однако вдали от аврорального овала подобные механизмы не реализуются. Для средних широт наиболее перспективным механизмом образования ММН считают каскадный процесс генерации неоднородностей при распространении интенсивных ВГВ [Гершман, Ерухимов, Яшин, 1984; Гершман, Казимировский, Кокоуров, Чернобровкина, 1984]. Однако до сих пор убедительного экспериментального подтверждения эффективности такого механизма в литературе не приведено, хотя отдельные эксперименты косвенно свидетельствуют о том, что во время магнитных бурь усиливается интенсивность как длинноволновой, так и коротковолновой части спектра ВГВ [Афраймович и др., 2001]. Как и для детектирования уединенных волн, в значительной степени это связано

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1965 В ИСЗФ СО РАН разработана технология глобального детектирования и мониторинга возмущений полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере на основе обработки данных глобальной сети приемников навигационной системы GPS [Afraimovich, 2000]. Эта сеть используется как глобальный GPS детектор, отличающийся от ранее известных средств радиозондирования ионосферы непрерывностью наблюдений, высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением, а также технологичностью обработки данных.

Последняя мощная магнитная буря 29-31 октября 2003 г. предоставила уникальную возможность получить экспериментальные данные для детектирования уединенных ВГВ и проверки гипотезы генерации ММН интенсивными ВГВ. Для проверки этой гипотезы наиболее подходящими являются интенсивные КМПИВ, которые генерируются в авроральной области на главной фазе мощных магнитных бурь [Hunsucker, 1982; Носке, Schlegel, 1996; Но et al, 1998].

Целью настоящей работы является исследование обсуждаемого во введение комплекса процессов во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г.

2.аа ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТЕ.

Геометрия эксперимента на территории США (30-55N; 235-290Е) дана на рис.1.

Точками отмечены

Широта, N

58 Чг

станции GPS.а Из-за

недостатка места

координатыаа станцийаа не

приводятся,аа ихаа точные

значения можно найти по

адресу:

Данные GPSа с 30-с

разрешением в

260

Долгота, Е

Рис.1.

300

стандартном формате

RINEX [Gunter, 1993],

используемые в данном

исследовании,

представлены на этом же

сайте.аа Звездочкой

показаноа положение

магнитовариационной станцииа Ottawa,а данные которойаа используются для контроля геомагнитной обстановки и временной привязки события.

На рис.2 сверху представлены вариации напряженности //-компоненты магнитного поля на магнитовариационной станции Ottawa (45.4 N; 284.45 Е) 30 октября 2003 г. Интервал времени 17-21 UT представляет особый интерес из-за наиболее высоких значений производной //-компоненты магнитного поля [Афраймович и др., 2001]. Момент tmax максимального возмущения H(t) отмечен вертикальной пунктирной линией.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1966

D, км 5000

4000

3000

2000

1000

800

H(t), нТл

I Ottawa (45.40N; 284.45Е)аа /Lmax /\

Иа 'а г

12 14

20 22

H(t), нТл ltmax Время, UT

~1 24

Для определения положения и

динамикиаа авроральногоаа овала

использовались данные Space Enviromental Monitor (SEM), полученные с помощью низкоорбитальных (850 км) спутников NOAA 14-17 POES (Polar-Orbiting Operational Environmental Satellite) с полярной орбитой (наклонение 98). На рис.1, южная граница аврорального овала на момент времени 21:54 UT 30.10.2003 г. отмечена жирной пунктирной линией.

Используемый в настоящей работе метод первичной обработки данных подробно описан в [4-7]. Относительное приращение наклонного ПЭС 1о определяется на основе измерений фазового пути трансионосферного радиосигнала GPS [Афраймович и др., 2001]:

19.0а 19.5а 20.0а 20.5 Время, UT

21.0

Рис. 2.

А2А2

40.308//-f

о ~аа 2 ^tKA^i -Ь2Л2) +const+ nL\

(1)

Tj\Qfi,f2, (1ь h) - частоты (длины волн), на которых излучаются радиосигналы; Ljlj и L2A2 - приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере (Li, L2 - число полных оборотов фазы); const - некоторый неизвестный начальный фазовый путь; nL - ошибка в определении фазового пути.

Для нормировки амплитуды возмущений ПЭС использовалось преобразование "наклонного" ПЭС в эквивалентное "вертикальное" значение/^ [Klobuchar, 1986]

/(/) = I0 cos

arcsm

----------- cost'

(2)

где Rz - радиус Земли; hmax = 350 км - высота максимума F^ слоя ионосферы.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1967а ВОЛНЫ.

Эксперимент проводился в три этапа. Сначала из данных измерений ПЭС на каждой из станций GPS отфильтровывались вариации ПЭС dl(t) в диапазоне периодов 20-60 мин. Выбирались данные для одного из ИСЗ GPS с номером PRN27, чья траектория оказалась наиболее подходящей для регистрации ПИВ [Afraimovich et al., 1992]. Углы места луча на этот ИСЗ варьировались на всей территории от 45 до 80, так что эффектами сферичности в условиях сильных пространственных градиентов ПЭС можно было пренебречь.

На нижней панели рис.2 вариации dl(t) нанесены с некоторым сдвигом (см. ниже); и=149 - число траекторий PRN27 с высоким качеством данных (отсутствие сбоев фазовых измерений ПЭС). Масштаб dl(t) в общепринятых единицах TECU (10 электронов/м ) дан вертикальным отрезком. Из рис.2 видно, что вариации ПЭС подобны по форме, но сдвинуты друг относительно друга по времени. В первом приближении (в пределах наблюдаемой области пространства) это дает основание считать возмущение плоской волной с волновым вектором К. Точкой на одной из кривых отмечено минимальное значение tДuД(D) вариаций ПЭС, которое фиксировалось для каждой кривой. Среднее значение характерной длительности возмущения AT (на рис.2 отмечено горизонтальными стрелками) оказалось равным около 40 мин.

Затем с использованием разработанного в [Afraimovich et al., 2000] метода определялись скорость распространения ПИВ V и направление а, отсчитываемое от севера N по часовой стрелке. Метод основан на расчете пространственных и временных градиентов электронной концентрации по измерениям ПЭС на трех разнесенных в пространстве станциях GPS (GPS-решетке). Прямоугольниками А, В, С на рис.1 отмечены регионы регистрации вариаций ПЭС, для каждого из которых использовались все возможные наборы (до 100-500 решеток), базы которых не превышали половину длины волны ПИВ. Оказалось, что для всех регионов скорость К близка к 1400 м/с, а направление - к значению а=235. Это позволило на третьем этапе представить полученные результаты в более прозрачном виде.

В рассматриваемом регионе волновой вектор возмущения К направлен на юго-запад а = 235 (левый нижний угол рис.1). Перейдем в топоцентрическую систему координат (хОу) с центром в точке О (отмечена на рис.1 жирной точкой; 30 N; 235 Е) и с осями координат (х,у), направленными на восток Е и север N, соответственно. Повернем систему координат (хОу) на угол 0=35 против часовой стрелки, тогда в новой системе координат (х 'Оу') волновой вектор К будет направлен вдоль оси х' (х' = х cosG + у sin0; у' = - х sinG + у cos0).

Плоский фазовый фронт будет

tmin(D), UT

20.5

20.4

20.3

20.2

20.1

9.9

9.8

9.7

9.6

9.5

9.4

9.3

20.5

20.4

20.3

20.2

20.1

19.9

19.8

19.7

19.6

19.5

19.4

19.3

U(D). UT

^	4%-				V= 1400 м/с
		^ч
		\.
		Х			;

					"^С**
						V Х
			'та	X
					1 1

от координатыаа у'. Тогда

х'аа естьаа расстояниеаа Dаа от

GPSаа доаа точкиаа О.аа Жирной

центр координатаа (х'Оу')аа в

азимутом

направлению

проходитьаа надаа различнымиаа станциями GPS в соответствии с их координатой х\

независимо

координата

приемника

а=55, вектора осиа х'

кривойаа из

направлении с

противоположным

К,аа проведен соответствующая

проекция дуги большого круга.

1000

4000

5000

2000а 3000 D, км

Рис. 3.

Чтобы отобразить перемещение

фазового фронта ПИВ вдоль направления

х\ ко всем отфильтрованным рядам ПЭС

dl(t) были добавлены постоянные

составляющие,аа пропорциональные

расстоянию D до приемников, на которых

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1968а

К сожалению, из-за сбоев измерений, обычно сопутствующих мощным магнитным бурям [Афраймович и др., 2002], часть данных в диапазоне дальностей 2000-3800 км оказались непригодными для анализа.

На рис.3, представлена зависимость минимальных значений tm{n(D) вариаций ПЭС, зарегистрированных на приемниках GPS в зависимости от расстояния D до этих приемников (точки). Сплошной линией дана аппроксимирующая линейная зависимость для tm{n(D), соответствующая скорости перемещения 1400 м/с, которая совпадает со значениями V, определенными и помощью GPS-решеток.

Интересно проследить за изменением абсолютной амплитуды отклика ПЭС dl(t) на прохождение солитона. На северо-востоке США, где солитон зарождался, его амплитуда монотонно возрастала при удалении от источника возмущения на протяжении около 1000 км от 2 до 10 TECU. В центральной части и на юго-западе США абсолютное возмущение менялось от 5 до 14 TECU (в зависимости от широты станции). Приближенные оценки показали, что в этом регионе относительная амплитуда возмущения dlmin (D)/Io по мере удаления от источника увеличивалась от 20% до 50%, что характерно для очень сильных возмущений.

4.аа ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ КИЛОМЕТРОВЫХ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

х0 dl(t), TECU

5 -5

0 Ч

-5 Ч

-10-------- 1--

17 18а 1

х0 dl(t), TECU

5 -5 0 Ч -5 -10

1аа Г

17 1

10а dl(t), TECU

17 18а 19

4 _,а dI(t). TECU

30.10.2003; PRN27

WES2; 42.6 N, 288.5 Е

~1 ' I ' I ' I ' I

20а 21а 22а 23а 24

ALGO;46 N, 282 Е

П ' I ' I ' I ' I

20а 21а 22а 23а 24

LANS; 42.7 N, 275.3 Е

21а 22а 23а 24

Рис. 4.

AZRY;33.5 N, 243.4 E

С целью проверки гипотезы

генерацииаа ММНаа при

распространении ВГВ [Гершман,

Ерухимов, Яшин, 1984; Гершман,

Казимировский,аа Кокоуров,

Чернобровкина, 1984] мы решили

проверить, сопровождается ли

перемещение интенсивной

уединенной волны, описание

которой приведено в предыдущем

разделе, образованием (или

усилением) мелкомасштабной

структуры?

Сначала мы выбрали станции

GPS, показанные на рис.1 светлыми

кружочками (названия станций

подписаны рядом), вдоль проекции

дуги большого круга (рис.1). Для

этих станций и PRN27 на рис.4

представлены вариации ПЭС dl(t) за

30.10.2003 г., отфильтрованные из

исходных рядов вертикального

значения ПЭС I(t) в диапазоне

периодов 20-60 мин (черные

кривые). Серыми кривыми

отмечены вариации ПЭС в диапазоне 1-10 мин. На каждой панелиа подписаныа названияа и

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1969 На рис.4 видно, что по мере распространения солитона с северо-востока на юго-запад

США в регионах с максимальной амплитудой КМПИВ интенсивность вариаций в диапазоне

1-10 мин возрастала на порядок. Это соответствовало усилению ионосферных

неоднородностей с масштабами от 10 до 100 км, а с учетом степенного характера спектра

ионосферных неоднородностей, и с масштабами 100-1000 м. С затуханием амплитуды

солитона уменьшалась и амплитуда ММН. Кроме того, размах (огибающая) колебаний ПЭС,

отражающих интенсивность ММН, максимален тогда, когда максимальна амплитуда

КМПИВ. Это означает, что амплитуда мелкомасштабных флуктуации ПЭС увеличивается в

интервалыа времени,а соответствующим максимальныма значенияма производной

крупномасштабных вариаций ПЭС, или градиентов ПЭС.

Одновременный контроль положения аврорального овала по данным ИСЗ NOAA (14-17) показал, что возникновение интенсивных крупномасштабной и мелкомасштабной структур на северо-востоке США не связано непосредственно с высыпаниями энергичных частиц, но синхронно с резкими и глубокими изменениями магнитного поля Земли. Появление этих структур на юго-западе США также не обусловлено непосредственно процессами в авроральном овале, поскольку его южная граница находилась в это время на расстоянии не менее 2000 км от региона (см. рис.1).

Эта работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 00-05-72026, 03-05-64100 и 03-05-64627), а также гранта N НШ-272.2003.5 государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации. Авторы выражают благодарность А.П. Потехину, А.В. Медведеву В.В Евстафьеву и Ю.В. Липко А.И. за интерес к работе и плодотворные дискуссии, Dave Evans (the NOAA/POES Space Environment Monitor data) за данные спутников NOAA POES, а также сотрудникам Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) за первичные данные глобальной сети наземных двухчастотных приемников GPS, предоставленные в сети Интернет.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1970

Афраймовича Э.Л.,а Косогорова Е.А.,аа Лесютаа О.С,аа Ушакова И.И.а // Изв.а Вузов. Радиофизика. 2001. Т. XLIV. № 10. С. 828.

Афраймович Э.Л., О.С. Лесюта, И.И. Ушаков. // Геомагнетизм и аэрон., 2002. Т.42, N2, С.220.

Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Бернгардт О.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Лесюта О.С, Шпынев Б.Г. // Изв.Вузов. Радиофизика. 2004 (принята к печати).

Гельберг М.Г. Неоднородности высокоширотной ионосферы. Новосибирск: Наука. 1986. 192с.

Гершман Б.Н., Григорьев Г.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 1. С. 5.

Гершман Б.Н. //Ионосферные исследования. М. 1980. N30. С.17.

Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина Н.А. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука. 1984. с. 144.

Гершман Б.Н.,а Ерухимова Л.М., Яшин Ю.Я.а Волновые явленияа ва ионосфереа и космической плазме. М.: Наука. 1984. с.392.

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

Григорьев Г.И. //Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 11. № 1. С. 3.

Савина О.Н., Ерухимов Л.М. //Геомагн. и аэрон. 1981. Т. 21. № 4. С. 679.

Смертин В.М., Намгаладзе А.А. //Геомагн. и аэрон. 1981. Т. 21. № 2. С. 302.

Пелиновский Е. Н., Н. Н. Романова. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. № 11. С. 1169.

Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977. 622 с.

Afraimovich, E.L., Terechov, A.I., Udodov, M.Yu. and Fridman, S.V. // J. Atmos. Terr. Phys., 1992. V.54. P.1013.

Afraimovich EX., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Palamarchouk K.S., Perevalova N.P., Pirog O.M. // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. № 7. P. 553.

Afraimovich E.L. //Radio sci. 2000. V.35. N.6. P. 1417.

Afraimovich, EX., V.V. Demyanov, T.N. Kondakova. // GPS Solutions. 2003. V.7. N2. P.109.

Brekke A., Doupnik J.D., Banks P.M. // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 3773.

Conker, R.S., M. B. El-Arini, С J. Hegarty and T. Hsiao // Radio Sci. 2003. V.38. N1. 1001, doi:10.1029/2000RS002604.

21.FejerB.C.,KelleyM.C.//Rev. Geophys. Space Phys. 1980. V.18. P.401.

Gurtner,аа W.,аа RINEX: Theаа Receiverаа Independentаа Exchangeаа Formatаа Versionаа 2.
Hocke K., Schlegel K. // Ann. Geoph. 1996. V.14, N5. P.917.

Но СМ., Iijima B.A., Lindqwister X.P., Mannucci A.J., Sparks L., Reyes M.J., Wilson B.D. //J. Geophys. Res. 1998. V. 103, NAIL P.26409.

Hunsucker R.D. //Review of Geophysics. 1982. V.20, N2. P.293.

Kintner, P.M., H. Kil and E. de Paula//Radio Sci. 2001. V.36. N.4. P.731.

Klobuchar LA. // IEEE Trans, on Aerospace and Electronic system. AES. 1986. V. 23. №3. P. 325.

Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. // Geophys. Res. Letters. 2002. V.29. N.14. 10.1029/2002GL014770.

Mannucci A.L, Но СМ., Lindqwister U.L et al. //Radio Sci. 1998. V. 33. P. 565.

Pilipenko V., S. Shalimov, S. Uyeda, H. Tanaka, // Proceedings of the Japan Academy, V. 77, ser. B,N7, 2001, P. 125.

Richmond .D., Matsushita S. // L Geophys. Res. 1975. V. 80. № 19. P. 2839.

Skone, S. and M. de Jong // Earth, Planets and Space. 2000. V.52. P. 1067.

Skone, S. and M. de Jong //аа Physics and Chemistry of the Earth. 2001. Part A 26/6-8. P.613.

Все научные статьи

Blog