Планетарная картина эффектов крупномасштабных ВГВ в ионосфере во время бури 22 марта 1979 г.

А.Т. Карпачев, Г.Ф. Деминова

e-mail: karp@izmiran.ru

Страницы: 1 | 2 | 3 | 4


       Над субавроральной ст. Оттава во время второй суббури было зафиксировано чрезвычайно сильное и длительное уменьшением foF2 (до 4 МГц), в то время как над субавроральной ст. Холли Бэй (Halley Bay) в южном полушарии уменьшение foF2 было небольшим. Для того, чтобы понять, с чем это может быть связано, обратимся к работе [Roble et al., 1987], в которой рассчитывался отклик термосферы на поступление энергии из магнитосферы для рассматриваемой бури. Расчеты показали, что наибольший нагрев термосферы (свыше 1300^o) имел место в дневной части аврорального овала во время второй суббури. Нагрев термосферы на долготах около 290^oЕ был намного сильнее в северном авроральном овале, чем в южном, т.к. первый был освещен сильнее и поэтому проводимость ионосферы в нем была выше. Измерения скорости ветра и средней массы нейтралов, проведенные для данного события на спутнике "SETA" на высотах 170-240 км хорошо согласуются с этими расчетами [Forbes et al., 1987]. Они показывают, что максимальное увеличение соотношения O/N2 в ~1.5 раза в дневном секторе местного времени наблюдалось в области максимального нагрева вблизи широты ~75^oФ. Значительный рост средней массы нейтралов простирался до широт 50-55^o и длился по времени с ~14 до 20 UT. Скорость возмущенного нейтрального ветра была увеличенной по крайней мере до ~20 UT. Возмущение было намного сильнее в северном полушарии, чем в южном. Важно подчеркнуть, что вариации плотности термосферы, связанные с разогревом в авроральном овале имели волновой характер в ночном секторе местного времени, и не имели такового в дневном секторе.
       Итак, длительное сильное уменьшение foF2 над Оттавой было вызвано уменьшением соотношения О/N2 под действием возмущенного ветра. Это уменьшение быстро спадает к широте ~50^o. На более низких широтах в южном полушарии вариации параметров ионосферы, также как и в термосфере носят более ярко выраженный волновой характер, чем в северном. Все это связано, по-видимому, с тем, что разогрев термосферы в северном полушарии был не только более интенсивным, но и более плавным и поэтому не имел ярко выраженного ударного характера. В результате он не вызвал генерацию сильной ВГВ, а создал, в основном, возмущенный нейтральный ветер, который переносил нагретый газ с увеличенной молекулярной составляющей из области нагрева до широт 50-55^o. Таким образом, в американском долготном секторе наблюдается асимметричная картина в отклике околополуденной термосферы и ионосферы на поступление энергии геомагнитной бури в область аврорального овала.
       Над экваториальной станцией Уанкайо (Huancayo) вариации hmF2 антикоррелируют с Bz с задержкой ~ 30 мин, в результате чего наблюдается задержка и ослабление эффекта второй ВГВ конкурирующим действием Bz компоненты ММП. Поэтому повышение hmF2 наблюдается только в 20 UT и достигает всего 40 км. Вариации foF2 коррелируют с изменениями Bz (с задержкой ~2,5 ч) и горизонтальной компоненты экваториального магнитного поля [Forbes et al., 1995], таким образом, они, как и на других экваториальных станциях, определяются в основном изменениями магнитосферного электрического поля, проникшего в экваториальную ионосферу.


Рис.8. Вариации Ne во внешней ионосфере по данным спутника Космос-900

       Рассмотрим вариации Ne во внешней ионосфере, используя данные спутника "Космос-900", полученные на высоте ~425 км в послеполуночном секторе (~ 03:30 LT) во время прохождения первой ВГВ (12:30-13:00 UT) - красная кривая на рис.8. Для сравнения черной кривой показаны широтные вариации Ne для предыдущего спокойного дня 21 марта, полученные примерно в том же долготном секторе. Видно, что 22 марта уменьшение Ne на средних широтах обоих полушарий достигает порядка величины. Оно объясняется не столько уменьшением NmF2, но главным образом увеличением высоты hmF2, которая в максимуме эффекта по данным наземных станций превышала 500 км, так что спутник оказывался значительно ниже максимума слоя F2, хотя в спокойных условиях высота 425 км соответствует внешней ионосфере. Это хорошо видно из схемы показанной на нижней части рис.8. На ней представлены N(h) профили внешней ионосферы, рассчитанные по модели IRI для спокойных условий (черная кривая), а также для первой и второй суббури (красная кривая и синяя кривые соответственно). Точками приведены измеренные спутником Космос-900 на высоте 425 км значения Ne.


Рис.9. Вариации Ne во внешней ионосфере по данным спутника Интеркосмос-19
       Вариации Ne во внешней ионосфере были рассмотрены также по данным внешнего зондирования на спутнике Интеркосмос-19, в частности для суббури 28 ноября 1979 г. В левой части рис.9 для примера (красные кривые) приведено три высотно-широтных разреза внешней ионосферы для этой суббури. Слева (черные кривые) представлены контрольные вариации в тех же долготных секторах для спокойного дня 30 ноября 1979 г. Внизу для каждого разреза показаны вариации NmF2, вверху - изолинии равной концентрации. Первый (верхний) разрез для 28 ноября получен до суббури и он принципиально ничем не отличается от контрольного разреза для 30 ноября. Второй (средний) разрез получен спустя ~ 2 часа после всплеска АЕ индекса ~ 800 нТл. За это время ВГВ достигла средних широт, что проявилось в виде увеличения высот равной концентрации на 100-120 км вплоть до апогея орбиты спутника 1000 км. Таким образом, эффект ВГВ проявляется во всей толще внешней ионосферы, а не до высот 500-600 км, как принято считать. Третий (нижний) разрез по времени совпал с приходом ВГВ на экватор и с переворотом Bz к северу. Оба эффекта сложились и дали в сумме повышение hmF2 над экватором 140 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
       Построена планетарная картина ионосферных эффектов крупномасштабных ВГВ в основном на примере магнитной бури 22 марта 1979 г. Для этого использован большой массив наземных и спутниковых данных. Детально исследованы характеристики полученной картины, выявлены основные параметры ПИВ в hmF2, foF2 и Ne.
       Увеличения hmF2, связанные с прохождением крупномасштабных ВГВ, четко фиксируются на всех широтах от субавроральных до экваториальных. Вблизи магнитного экватора также регулярно наблюдаются эффекты электрических полей магнитосферного происхождения, связанных с поворотами Bz компоненты ММП, причем днем эффекты электрических полей доминируют над эффектами ВГВ, а ночью их амплитуды сравнимы. Уменьшения foF2, связанные с прохождением ВГВ, фиксируются менее четко, поскольку они имеют небольшую амплитуду и маскируются другими эффектами. По данным спутника "Космос-900", уменьшение Ne на фиксированной высоте 425 км в послеполуночной среднеширотной ионосфере достигало порядка величины, что связано, в основном, с подъемом hmF2 выше орбиты спутника. Вариации foF2 над магнитным экватором определяются, в основном, вариациями Bz компоненты ММП.
       Локализация эффектов ВГВ по мировому и местному времени (долготе) определяется, в основном, картиной нагрева высокоширотной атмосферы. Нагрев термосферы определяется джоулевым нагревом, наиболее сильным в области авроральных электроджетов, и высыпаниями частиц, что наиболее сильно проявляется в области каспа.. Картина нагрева резко изменяется от суббури к суббуре, поскольку она зависит от протекания суббури в магнитосфере, характеристик ионосферы и обратной связи в системе ионосфера-магнитосфера. Соответственно этому изменяется и отклик ионосферы. Во время интенсивных бурь волновой фронт является сплошным, т.е. охватывает все долготы (часы местного времени), широты и высоты внешней ионосферы.
       Выделена зависимость амплитуды эффекта ВГВ в hmF2 и foF2 от местного времени для средних широт. Увеличение высоты ночного слоя F2 достигало 200 км и более. В дневные часы амплитуда эффекта ВГВ достигала 70 км и он четко выделялся в околополуденном секторе местного времени во время первой суббури 22 марта 1979 г., когда нагрев в области каспа был особенно интенсивным. Амплитуды эффекта в foF2 слабо зависит от местного времени и составляет -(1-2) МГц.
       В ночной ионосфере во время равноденствия наблюдается высокая степень симметрии эффектов ВГВ в северном и южном полушариях. В дневной ионосфере во время бури 22 марта 1979 г. также наблюдалось качественное согласие эффектов ВГВ в обоих полушариях, но в южном полушарии их амплитуда была заметно выше, чем в северном, поскольку дневные часы пришлись на американский сектор, где характеристики геомагнитного поля и условия освещенности авроральной зоны в обоих полушариях сильно различаются. Нагрев термосферы в северном полушарии во время второй суббури 22 марта был более сильным, но менее резким, чем в южном, поэтому в северном полушарии на субавроральных широтах наблюдалось сильное уменьшение foF2, связанное с уменьшением соотношения O/N2, а на средних широтах эффект ВГВ был слабее. Во время солнцестояний ВГВ значительно сильнее проявляется в ионосфере зимнего полушария.

       Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, грант № 01-05-64155. Авторы выражают благодарность С.Гонсалесу за предоставленные данные наземного зондирования над Кубой и В.В.Афонину за данные спутника "Космос-900".

Список литературы

• Карпачев А.Т., Афонин В.В. Вариации cтруктуры высокоширотной ионосферы во время бури 22-23 марта 1979 г. по данным ИСЗ Космос-900 и Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. (в печати).
• Куликов В.В. О генерации акустико-гравитационных волн авроральными электроструями // Геомагнетизм и аэрономия. Т.22. № 1. С.45-50. 1982.
• Куликов В.В., Шашунькина В.М., Юдович Л.А. Зависимость ионосферного эффекта ВГВ от интенсивности авроральных электроструй // Геомагнетизм и аэрономия. Т.27. № 4. С.576-579. 1987.
• Смертин В.М., Намгаладзе А.А. О различии реакции F2-области ионосферы на воздействие внутренних гравитационных волн в дневных и ночных условиях // Изв. ВУЗов. Радиофизика. Т.25. №5. С.577-579. 1982.
• Шашунькина В.М. Ионосферный эффект внезапного начала магнитной бури в годы максимума и минимума солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. Т.8. № 1. С.184-187. 1968.
• Шашунькина В.М., Деминова Г.Ф., Гончарова Е.Е. Моделирование глобального эффекта ВГВ в ночной ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. Т.38. №5. С.56-71. 1998.
• Шашунькина В.М. Гончарова Е.Е. Дневные эффекты ВГВ по ст. Москва // Геомагнетизм и аэрономия. Т.41. № 1. С.99-104. 2001.
• Baker D.N., Fritz T.A., Lennartsson W., Wilken B., Kroehl H.W. and Birn J. The role of heavy ionospheric ions in the localization of substorm disturbances on March 22, 1979: CDAW 6 // J. Geophys. Res. V.90. № 2. P.1273-1281. 1985.
• Deminova G.F. Modifications in the nighttime low-latitude ionosphere after southward turning of the IMF // J. Atm. Terr. Phys. V.57. № 12. P.1459-1467. 1995.
• Forbes J. M., Roble R.G. and Marcos F.A. Thermospheric dynamics during the March 22, 1979, magnetic storm. 2. Comparisons of model predictions with observations // J. Geophys. Res. V.92. № 6. P.6069-6081. 1987.
• Hajkowicz L.A., Hunsucker R.D. A simultaneous observation of large-scale periodic TIDs in both hemispheres following an onset of auroral disturbances // Planet. Space Sci. V.35. № 6. P.785-791. 1987.
• Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Ann. Geophys. V.14. № 9. P.917-940. 1996.
• Kamide Y., Richmond A.D., Matsushita S. Estimation of ionospheric electric fields, ionospheric currents, and field-aligned currents from ground magnetic records // J. Geophys. Res. V.86. № 2. P.801-813. 1981.
• Kamide Y., Baumjohann W. Estimation of electric field and current from International Magnetospheric Study. Magnetometer data for the CDAW 6 intervals: Implications for substorm dynamics // J. Geophys. Res. V.90. № 2. P.1305-1317. 1985.
• Mazaudier C. Electric currents above Saint-Santin. 3. A preliminary study of disturbances: June 6, 1978; March 22, 1979; March 23, 1979 // J. Geophys. Res. V.90. № 2. P.1355-1366. 1985.
• Roble R.G., Forbes J.M., Marcos F.A. Thermospheric dynamics during the March 22, 1979, magnetic storm. 1. Model simulations // J. Geophys. Res. V.92. № 6. P.6045-6068. 1987.
• Tanaka T. Low-latitude ionospheric disturbances: results for March 22, 1979, and their general characteristics // Geophys. Res. Lett. V.13. № 13. P.1399-1402. 1986.