Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 5, стр. 594-606

3.1. Поведение Δ foF2

В работе Kane [2005] был представлен прекрасный пример появления положительных возмущений 28 октября 2003 г. в день, предшествующий началу выдающейся магнитной бури. Тот факт, что более или менее похожие (по форме и амплитуде) положительные фазы наблюдались на большинстве ионосферных станций, исключает возможность того, что эффект являлся случайным.

Предбуревое возрастание foF2 видно на рисунках в статье Araujo-Pradere and Fuller-Rowell [2002] (см. рис. 1, взятый из работы Kane [2005]), но сами авторы не обсуждают этого эффекта. Kane [2005] сделал попытку сравнить поведение foF2, наблюдаемое до и во время сильной бури 6–7 апреля 2000 г. (Dstmin = –200 нТл) с предсказаниями эмпирической модели STORM [Araujo-Pradere and Fuller-Rowell, 2002]. Результаты сравнения представлены на рис. 1 (взятом из работы Kane [2005]) и показывают, что модель плохо описывает поведение foF2 после SC и ничего не говорит о сильных положительных фазах до SC, зарегистрированных на обеих станциях.

Рис. 1.

Отношение foF2_наб/foF2_спок для периода 5–9 апреля 2000 г. (буря произошла 6–7 апреля) для станций Boulder и Port Stanley (взято из работы [Araujo-Pradere and Fuller-Rowell, 2002]). Толстой кривой показано предсказание с помощью их эмпирической модели STORM, а заполненной кривой – наблюдения. Положительные отклонения зачернены, а отрицательные – заштрихованы (из работы Kane [2005]).

В работе [Blagoveshchensky et al., 2003] проанализированы 41 геомагнитное возмущение по наблюдениям на ионосферной ст. Sodankylä (67° N, 26° E). Большинство рассмотренных возмущений представляли собой геомагнитные суббури, однако были и бури с внезапным началом. Авторы указанной работы как один из основных выводов формулируют утверждение, что “возрастание величин foF2 по сравнению с их спокойной медианой начинается за 6–8 часов до момента Т₀ начала активной (expansion) фазы магнитной бури”. Затем, по утверждению указанных авторов, величина foF2 достигает своего максимума за 3–4 ч до момента Т₀ и падает ниже спокойного уровня к самому моменту Т₀.

Работа [Blagoveshchensky et al., 2017] посвящена реакции ионосферы на возмущения космической погоды до, во время и после возмущения. В этой работе рассматривается широкий круг проблем (различные проявления космической погоды, поведение не только foF2, но и foEs и т.д.). Для нашего рассмотрения важны два момента. Во-первых, в работе фактически были подтверждены результаты Blagoveshchensky et al. [2003] на более обширном материале (72 геомагнитных возмущения, ионозонды в широтном интервале 40°–70° N в Европе, Сибири и Северной Америке). Результаты анализа данных всех станций и всех бурь были обобщены в виде очень выразительного рис. 2, взятого из работы [Blagoveshchensky et al., 2017].

Рис. 2.

Вариации величины Δ foF2, усредненные по 72 бурям (из работы [Blagoveshchensky et al., 2017]).

Рисунок наглядно иллюстрирует приведенное выше утверждение о положительном возмущении foF2 с максимумом за 3–4 ч до момента Т₀ и падением foF2 непосредственно перед этим моментом. На другом рисунке в работе [Blagoveshchensky et al., 2017] приведено поведение foF2 до и во время пяти достаточно сильных магнитных бурь. Рисунок показывает, что положительное ионосферное возмущение наблюдается во всех пяти случаях, хотя амплитуда этого возмущения для различных бурь различна и не коррелирует прямо с интенсивностью бури, характеризуемой в данном случае величиной ΣKp.

Проанализировав магнитные бури за 2008–2012 гг. по данным ВЗ на ст. Sodankylä, Благовещенский [2014] пришел к выводу, что для всех рассмотренных бурь имеет место так называемый главный эффект (ГЭ). Суть его состоит в том, что за несколько дней до начала активной фазы бури возникает первый максимум в значениях foF2, затем во время активной фазы имеет место минимум foF2 и далее после активной фазы снова образуется второй максимум. По мнению Благовещенского [2014] у ионосферы имеется “память” (инерционность) от 8–9 ч до 2 сут, предвестником магнитных бурь можно считать появление первого максимума ГЭ и подобный предвестник потенциально может быть использован для прогнозирования начала развития последующей магнитосферной бури.

В работе Благовещенского и Калишина [2009], уже упоминавшейся выше, было высказано предположение, что канал проникновения энергии солнечного ветра во время предбуревых возрастаний foF2 отличается от канала, действующего во время самой бури. Этот канал обеспечивает перенос энергии через входной слой в магнитосферу и через дневной касп в ионосферу (как предполагалось в работе Danilov and Belik [1992]). Согласно Благовещенскому и Калишину [2009], рост foF2 в предбуревой период может использоваться для предсказания надвигающейся геомагнитной бури.

Buresova and Laštovička [2007] проанализировали 65 сильных геомагнитных бурь, наблюдавшихся в период 1995–2005 гг., и искали случаи предбуревых возрастаний, используя данные восьми ионосферных станций, расположенных в европейском регионе. Они обнаружили, что примерно в 20–25% случаев геомагнитным бурям предшествовали достаточно сильные предбуревые возрастаниями foF2 (NmF2). Buresova and Laštovička [2007] обнаружили также, что предбуревое возрастание foF2 происходит как днем, так и ночью, и выявили сезонные вариации частоты появления предбуревых возрастаний NmF2. Эти возрастания имеют тенденцию чаще появляться в летнее полугодие. Однако число рассмотренных событий достаточно мало, поэтому Buresova and Laštovička [2007] предложили рассматривать полученное сезонное распределение предбуревых явлений только как тенденцию. Однако эта сезонная вариация (если она, действительно, существует) может оказаться очень важна для поиска источников предбуревых явлений, поскольку она показывает, что эти явления не связаны с сезонными вариациями появления сильных геомагнитных бурь – большинство геомагнитных бурь происходит в периоды равноденствий. Buresova and Laštovička [2007] не смогли найти какой-нибудь систематической широтной зависимости появления предбуревых возрастаний foF2. Не было обнаружено также соответствующих изменений hmF2.

На рисунке 3, взятом из работы [Buresova and Laštovička, 2007], приведен типичный пример сильного возрастания NmF2 перед выдающейся бурей 29 октября 2003 г. (минимум Dst = –388 нТл) по данным вертикального зондирования на ст. Chilton. Видно, что примерно за 18 ч до SC (06:11 UT 29 октября) происходит увеличение NmF2 в ~2.5 раза.

Рис. 3.

Эффекты выдающейся геомагнитной бури 29 октября 2003 в NmF2 на ст. Chilton. Приведена реакция NmF2 (ежечасные значения): сплошная кривая соответствует измеренным величинам, штриховая кривая – месячной медиане. (Из работы [Buresova and Laštovička, 2007]).

Используя данные 12 ионосферных станций северного полушария, покрывающих весь интервал долгот, Buresova and Laštovička [2008] проанализировали 15 выдающихся бурь за период 1995–2005 гг. Они обнаружили, что все рассмотренные бури в европейском регионе сопровождались значительным (>20%) ростом foF2 перед началом бури.

Новым элементом изучения предбуревого эффекта была попытка определить высотный профиль предбуревого возрастания, в частности наличие эффекта в ионосферных слоях F1 и E. Buresova and Laštovička [2008] не обнаружили систематического эффекта предбуревого возрастания Ne в слое F1. Также не было никакого предбуревого возрастания и в области E. Фактически, Buresova and Laštovička [2008] обнаружили, что предбуревое возрастание ограничено слоем F2. Пример высотного распределения Ne в предбуревой период по данным ст. Chilton согласно работе [Buresova and Laštovička, 2008] приведен на рис. 4. Сплошные линии – наблюдения 22 июля 2004 г. до SC геомагнитной бури (15:00 UT); штриховые линии – месячная медиана. Хорошо видно существенное возрастание перед бурей Ne в области F по сравнению со спокойными условиями.

Рис. 4.

Высотное распределение электронной концентрации 22 июля 2004 г. по данным ст. Chilton согласно работе [Buresova and Laštovička, 2008] (см. текст).

Широтная протяженность предбуревого возрастания была найдена равной 120°–240° на основе сравнения одновременных измерений foF2 в Европе, Северной Америке и Восточной Азии. Необходимо отметить, что в американском и восточно-азиатском долготных секторах Buresova and Laštovička [2008] обнаружили перед этой бурей лишь слабые предбуревые эффекты.

Согласно Mansilla [2007] перед очень сильной бурей 15 июля 2000 г. (Dstmin = –300 нТл) положительные фазы с амплитудой, достигающей 30%, наблюдались на среднеширотных станциях Hobart и Canberra (южное полушарие) и Ленинград и Wallops Island (северное полушарие).

Во время очень сильной бури 24 ноября 2001 г. (Dstmin = –224 нTл) Nogueira et al. [2011] обнаружили возрастание параметра Δ foF2 примерно в 20:00 LT 23 ноября, тогда как буря началась в 04:00 LT 24 ноября. Рисунок 2 в работе Nogueira et al. [2011] показывает, что по крайней мере до полуночи 23/24 ноября все магнитные параметры (Dst, AE, Bz, Ey) были на совершенно спокойном уровне.

Анализируя глобальную ионосферную реакцию на умеренную геомагнитную бурю 3 августа 2010 г. (Dstmin = –90 нТл) в трех долготных секторах (Азия/Тихий океан, Европа/Африка и Америка) Mansilla and Zossi [2012] получили, что одним из главных ионосферных эффектов рассматриваемой бури был тот факт, что за 4–5 ч до бури японские, австралийские и американские станции зарегистрировали хорошо выраженный рост foF2 независимо от местного времени.

В более поздних работах Mansilla [2014] и Mansilla and Zossi [2016] рассмотрели наблюдения методом ВЗ на станциях в американском секторе во время еще ряда бурь. Характерно, что до SC наблюдались как отрицательные, так и положительные ионосферные возмущения. Особенно сильная положительная фаза наблюдалась перед SC выдающейся магнитной бури 29 октября 2003 г. (которая анализировалась также в работе Buresova and Laštovička [2008], см. выше). Согласно Mansilla [2014] максимальная величина Δ foF2 достигала 120% на станциях Jicamarca и Tucuman и 90% на ст. Ascenсion. Положительное ионосферное возмущение длилось от 6 до 15 ч.

Patowary et al. [2013] провели анализ сорока магнитных бурь 70–80-х гг., анализируя 8 станций ВЗ дальневосточного и австралийского регионов. Основной целью работы было исследование сезонных и широтных различий в ионосферной реакции на магнитные бури во время самих бурь. Однако из приведенных в работе рисунков видно, что до SC на многих станциях наблюдаются положительные ионосферные возмущения. К сожалению, Patowary et al. [2013] приводят абсолютные величины Δ foF2 в МГц, а не относительные величины в процентах, как большинство исследователей, поэтому из рисунков трудно понять, насколько значительными были эти положительные возмущения. Однако, рис. 3 в этой работе показывает (и на это обращают внимание сами авторы), что перед бурей 26 марта 1976 г. на всех приведенных на рис. 6 станциях наблюдались значительные повышения Δ foF2 за 3–4 ч до SC.

Liu et al. [2014] анализировали поведение foF2 на станциях дальневосточного и австралийского регионов во время магнитной бури с SC в 00:00 UT 15 июля 2012 г. Они получили, что на станциях Beijing, Wuhan и Sanya за 10–14 ч до SC наблюдались положительные величины ΔfoF2 порядка 20–30%. Такие же по амплитуде, но отрицательные величины Δ foF2 наблюдались на станциях Darwin, Townsville и Brisbane весь день (по UT) 14 июля.

Некоторые особенности реакции ионосферы, наблюдавшиеся в экваториальной и среднеширотной областях на две очень сильные геомагнитные бури 19–23 октября 2001 г. и 13–17 мая 2005 г. (SYM-Hmin = –300 нТл), рассматривались Adekoya et al. [2012a]. Особый упор был сделан на связь предбуревых явлений с поведением ионосферы во время самой бури. Они обнаружили, что умеренные возмущения ионосферного слоя F2 в предбуревой период могут предвещать сильное ионосферное возмущение в течение главной фазы геомагнитной бури. Реакция ионосферного слоя F2 в низких и средних широтах не отличается существенно в период главной фазы бури и в предбуревой период. Ионосферная реакция в течение предбуревого периода выглядит удивительной. Adekoya et al. [2012a] обнаружили, что слабые и умеренные отрицательные фазы наблюдались в пердбуревой период на всех станциях в низких и средних широтах.

Adekoya еt al. [2012b] предприняли исследование умеренной геомагнитной бури 2–6 апреля 2004 г. (Dstmin = –101 нТл), используя данные наземных ионозондов на средних широтах. Последние были разбиты на высокие средние и низкие средние широты. Авторы обнаружили, что поведение foF2 в течение главной фазы магнитной бури завит от поведения foF2 в предбуревой период (различным образом для разных широтных зон). На низко-среднеширотных станциях положительно-отрицательная фаза в поведении Ne (ПО буря), сформировавшаяся в предбуревой период, предвещает интенсивную отрицательную бурю во время главной фазы магнитной бури. На высоко-средних и низко-средних широтах ПО и ОП ионосферные бури в предбуревой период предвещают сильную отрицательную фазу и интенсивную положительную фазу, соответственно, во время главной фазы магнитной бури.

Подробный анализ предбуревых эффектов в foF2 во время 6 магнитных бурь в 2000–2005 гг. по данным 8 станций ВЗ, расположенных в диапазоне широт от 33° S до 36° N, был выполнен в работе [Adekoya et al., 2013]. Авторы получили, что перед бурей 6 апреля 2000 г. (SC в 12:00 UT) на ст. Darwin (13° S) максимальное значение Δ foF2 составляло 55% в 06:00 UT. Это значение превышало 20% в течение 5 ч в первой половине дня 6 апреля. За 2 ч до SC бури 15 июля 2000 г. величина Δ foF2 на ст. Point Arguello (36° N) составляла –40%.

Согласно Adekoya et al. [2013] во время бури 17 сентября 2000 г. (SC в 13:30 UT) величины Δ foF2 на ст. Darwin достигали 130% в 06:00 UT 16 и 17 сентября. В общей сложности 16 и 17 сентября (до SC) величина ΔfoF2 превышала 60% в течение 22 часов. Во время той же бури в 19:00 UT 16 сентября на ст. Louisvale (29° N) Δ foF2 была отрицательной (–50%).

Перед бурей 30 марта 2000 г. (SC в 23:00 UT) величина Δ foF2 составляла ~30% с 07:00 UT до 12:00 UT на ст. Dyess (32° N) и 20–30% с 02:00 UT до 13:00 UT на ст. Eglin (30° N), тогда как на ст. Darwin наблюдался пик ΔfoF2 около 75% примерно за 6 ч до SC. Перед бурей 11 апреля 2001 г. (SC в 12:00 UT) на ст. Eglin зарегистрированы пики Δ foF2, достигавшие 60% в 07:00 UT 10 апреля и 45% в 05:00 UT 11 апреля. До SC бури 24 августа 2005 г. (00:30 UT) на ст. Puerto Rico (19° N) величина Δ foF2 в 22:00–23:00 UT 23 августа составляла –60%.

Mahrous [2007] рассмотрел реакцию foF2 на очень сильную бурю 21 октября 1999 г. (SC в 22:00 UT, Dstmin = –240 нTл)), усреднив наблюдения на 11 станциях ВЗ в диапазоне широт от 60° N до 52° S. Он получил, что по усредненным данным первое возрастание Δ foF2 началось в 20:00 UT 20 октября и достигло максимума в 30% в 00:00 UT 21 октября, а затем Δ foF2 уменьшалась в течение 3 часов.

Bakare and Chukwuma [2010] проанализировали данные двух геомагнитных бурь (14 апреля 2006 г. и 24 августа 2005 г.) на ионосферных станциях Американского региона. Они обнаружили положительную фазу ионосферной бури с Δ foF2 от 20 до 30% с максимумом примерно за 3 ч до SC магнитной бури 14 апреля на всех станциях (Boulder, Dyess, Eglin, и Puerto Rico). Во время бури 24 августа на всех станциях наблюдалась отрицательная фаза с максимумом ~50% примерно за 8 ч до SC. Следует отметить, однако, что оценки наличия или отсутствия ионосферных эффектов до рассматриваемой магнитной бури зависит от того, в какой момент UT принимается SC. Индекс Dst демонстрировал небольшой рост (до 32 нТл) в интервале с 00:00 UT до 08:00 UT, когда началось его резкое падение. Если, как часто делается, принять за SC момент начала резкого падения Dst, то приведенные выше изменения критической частоты относятся к периоду до SC и представляют интерес для нашего рассмотрения. Если же принять за SC момент 00:00 UT, то указанные выше величины ΔfoF2 приходятся на сам период бури и к нашему рассмотрению отношения не имеют.

Поведение foF2 во время той же бури 24 августа 2005 г. анализировали Adebesin and Adekoya [2013]. Они также обнаружили отрицательную фазу примерно за 3 ч до SC с амплитудой 30–40% на станциях Darwin и Puerto Rico, но не обнаружили существенных отклонений foF2 от спокойных величин на станциях Learmoth и Dyess. На ст. Eglin наблюдались положительные величины Δ foF2 от 20 до 40%. Указанные величины Δ foF2 относятся к периоду до 00:00 UT, т.е. заведомо до начала магнитной бури.

Adekoya and Adebesin [2015] анализировали 6 очень сильных бурь 2000–2005 гг. по данным ВЗ на низко- и среднеширотных станциях. Буря 6 апреля 2000 г. (Dstmin = –288 нТл) началась в 12:00 UT. Уже утром 5 апреля на ст. Darwin (13° S) в течение нескольких часов наблюдались отрицательные величины ΔfoF2 (–34% в 03:00 UT). Утром 6 апреля было зарегистрировано положительное возмущение foF2 с максимумом Δ foF2 = = 54% в 06:00 UT). Во время очень сильной бури 15 июля 2000 г. (Dstmin = –301 нТл) на ст. Learmonth (22° S) величина ΔfoF2 поднималась до +42% за 12 ч до SC, на ст. Grahamstown она опускалась до примерно –30% за 9 ч до SC, а на ст. Juliusruh (55° N) она держалась на уровне –30% в период от 5 до 9 ч до SC.

Магнитная буря с Dstmin = –201 нТл началась в 13:00 UT 17 сентября 2000 г. на ст. Darwin, и 16 и 17 сентября с 00:00 UT до 12:00 UT наблюдалось очень сильное положительное возмущение с Δ foF2 ~ 170%. Между этими положительными возмущениями величина Δ foF2 опускалась до ‒40% в 18:00 UT 16 сентября. На станции Juliusruh наблюдалось отрицательное возмущение (Δ foF2 = = –60% за 7 ч до SC).

Перед бурей 31 марта 2001 г. (Dstmin = –387 нТл; SC в 00:00 UT) на ст. Darwin также наблюдались сильные положительные возмущения в 17:00 UT (+90% 29 марта и +80% 30 марта). На ст. Grahamstown (33° S) величина Δ foF2 опускалась до –40% в 23:00 UT 29 марта. В течение двух суток перед бурей 11 апреля 2001 г. (Dstmin = –271 нТл; SC в 12:00 UT) на ст. Learmonth и 9, и 10 числа наблюдались отрицательные возмущения с минимумом Δ foF2 = –55% около 22:00 UT. На ст. Juliusruh наблюдалось положительное возмущение с максимумом +55% в 05:00 UT 11 апреля.

Перед бурей 24 августа 2005 г. (Dstmin = –216 нТл; SC в 03:00 UT) только на ст. Darwin наблюдались предбуревые эффекты. Величина Δ foF2 достигала +45% в 12:00 UT 22 августа.

Buresova et al. [2014] рассмотрели слабые геомагнитные бури в период минимума солнечной активности. Во время возмущения 4–9 января 2008 г. они обнаружили на ст. Pruhonice положительное возмущение с Δ foF2, достигающим 40%, за несколько часов до начала заметного роста Dst, которое затем сменилось медленным падением. На станции Grahamstown существенных отклонений foF2 от медианы не наблюдалось. Положительные величины Δ foF2 с амплитудой от 20 до 40% были зафиксированы примерно в то же время и на станциях американского региона (Millstone Hill и Port Stanley).

Mandrikova et al. [2018] проанализировали поведение foF2 на трех станциях (Паратунка, Wakkanai и Norfolk) во время трех бурь 2015 г. Они применили метод определения отклонения foF2 от спокойных условий, несколько отличающийся от применяемого обычно. Описание метода можно найти в работе [Mandrikova et al., 2015]. Для всех трех бурь на всех трех станциях Mandrikova et al. [2018] получили сильные и длительные положительные возмущения foF2 до SC соответствующей магнитной бури. Длительность этих возмущений составляла ~40 ч для бури 17 марта 2015 г., ~8 ч для бури 19 декабря и 22–24 ч для бури 17 февраля 2015 г.

Согласно Berényi et al. [2018] во время сильной бури 12 ноября 2012 г. в течение двух суток, предшествующих SC, величины foF2 на ст. Nagycenk (Венгрия) в дневное время существенно превышали фоновые значения. Определить величины Δ foF2 не представлялось возможным, поскольку критические частоты выходили за верхний предел чувствительности ионозонда. Во время бури 17 марта 2013 г. по измерениям на той же станции в течение суток, предшествовавших SC, величина foF2 в дневное время была ~10 МГц, тогда как фоновое значение foF2 было 7–7.5 МГц (см. рис. 5, взятый из работы Berényi et al. [2018]).

Рис. 5.

Изменение foF2 в течение 16–17 марта 2013 г. согласно Berenui et al. [2018]. Сплошная кривая – измерения 16 и 17 марта, штриховая кривая – фоновые значения.

Согласно Ghodpage et al. [2018] измерения методом ВЗ на низкоширотной ст. Tirunelveli показывают увеличение foF2 ночью 17 марта с 05:00 до 07:00 LT (очень сильная магнитная буря с минимальным Dst ~ 220 нТл началась в 09:45 LT 17 марта) по сравнению с ночью 16 марта (спокойные сутки). Согласно рис. 4 в указанной статье в первой половине дня 16 марта наблюдалось уменьшение foF2 с минимумом ~6 МГц в 11:00 LT. Хотя поведение foF2 в другой спокойный день в работе не обсуждается, указанный рисунок показывает, что невозмущенная критическая частота должна была в это время быть не ниже 10 МГц.

Grandin et al. [2015] провели статистический анализ методом наложенных эпох 95 событий прихода к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра. Они рассматривали реакцию ионосферы по измерениям на ионосферой ст. Sodankylä. В качестве начала отсчета (момент 0) был взят момент прихода указанных потоков к магнитопаузе. Как видно из рис. 1 в указанной статье, этот момент практически совпадает с моментом SC, определяемым по SYM-H -индексу. Результаты анализа показывают, что в течение суток, предшествующих моменту 0, (день –1) верхний и нижний квартили отклоняются от медианы примерно на 1 МГц вверх и вниз, соответственно, тогда как в течение предыдущего дня (день –2) все три кривые совпадают или отличаются очень мало. Это говорит о том, что в течение суток, предшествующих SC, достаточно часто наблюдаются как положительные, так и отрицательные отклонения foF2 от медианы.

Указанный эффект хорошо выражен для зимних месяцев, тогда как он значительно меньше летом и почти отсутствует в равноденствие.

В работе [Lei et al., 2018] анализировалась магнитная буря с SC в 21:00 UT 7 сентября и минимальным Dst-индексом, равным 147 нТл, 8 сентября. Материалом для анализа служили наблюдения методом ВЗ на трех ионосферных станциях Китая и измерения TEC (результаты см. в следующем параграфе). Данные ВЗ показали, что на ст. Shaouang (27° N) в период 03:00–11:00 UT 7 сентября наблюдалось значительное превышение NmF2 над месячной медианой (максимальная величина ΔNmF2 достигала 120%). На станциях Sanya (18^o N) и Wuhan (31° N) заметных отклонений NmF2 от медианы не наблюдалось.

Анализируя сильную магнитную бурю 15 мая 2005 г., Galav et al. [2014] привели данные наблюдений методом ВЗ на ст. Алма-Ата. Из этих данных следует (см. рис. 2 в указанной работе), что величины foF2 в течение ~3 ч были существенно ниже, чем среднее по спокойным дням месяца значение foF2, и находились далеко за пределами полосы ±2σ. Минимальная величина foF2 составляла в этот период ~4.2 МГц примерно за 7 ч до SC магнитной бури.

Zolotukhina et al. [2017] подробно анализировали магнитную бурю 17–19 марта 2015 г. Как следует из рис. 7 этой работы, на ст. Диксон в течение 3 ч до SC (05:00 UT 17 марта) наблюдалось превышение наблюдаемых величин foF2 над фоновыми значениями. Амплитуда этого превышения достигала максимальной величины порядка 30% за час до SC.

Polekh et al. [2017] рассматривали реакцию ионосферы на ту же бурю 17–19 марта 2015 г. по данным TEC и наблюдений методом ВЗ на станциях дальневосточного региона. Хотя основной акцент в указанной работе сделан на период самой бури, из рис. 3 в этой работе следует, что на ст. Жиганск (66° N) за 5 ч до SC величина ΔNmF2 составляла 50% и постепенно уменьшалась до нуля к моменту SC. На станции Якутск (62° N) величина ΔNmF2 за 5 ч до SC была ~40% и опустилась до нуля примерно за час до SC. На более южных станциях величины ΔNmF2 находились в этот период в пределах ±20%.

3.2. Поведение ΔTEC

Yizengaw et al. [2004] анализировали реакцию TEC по наблюдениям в семи приемных пунктах системы GPS в южном полушарии на сильную магнитную бурю 22 сентября 1999 г. Согласно этой работе в течение 12 ч до SC в 4 пунктах с южной широтой более 35° наблюдались отрицательные отклонения TEC от спокойных значений (величины ΔTEC составляли от –30 до –85%, причем на ст. McMurdo (78° S) величина ΔTEC держалась на уровне около –80% в течение 9 ч).

Для выявления поведения предбуревых ионосферных возмущений при низкой магнитной активности в низких широтах Liu et al. [2008a] проанализировали отобранные низкоширотные явления возрастания ТЕС, используя измерения TEC приемниками GPS глобальной и региональной сети. Она анализировали поведение ΤΕC во время бурь 10 февраля 2004 г. (SYM-Hmin = = ‒100 нТл), 21 января 2004 г. (SYM-Hmin= = ‒140 нТл) и 4 марта 2001 г. (SYM-Hmin = –75 нТл). Они обнаружили, что низкоширотные возрастания ТЕС при длительном периоде низкой геомагнитной активности до бури наблюдались для всех трех рассмотренных бурь. Увеличение TEC, ΔTEC, были ~20–30 TECU перед бурей 10 февраля 2004 г. Отклонения TEC от медианы ~20–30 TECU наблюдались в течение 1.5 дней перед бурей 21 января 2004 г. и ~30–40 TECU перед бурей 4 марта 2001 г.

Очень важный факт, обнаруженный Liu et al. [2008a], состоял в том, что эффект носил региональный характер: вышеуказанные величины ΔΤΕC наблюдались лишь в узкой полосе долгот с центром на 120° E. Этот факт очень важен для исследования природы предбуревого эффекта. Локальный характер увеличения ΤΕC, обнаруженный Liu et al. [2008a], делает более трудной связь этого увеличения с изменениями глобальных параметров космической погоды и указывает на их связь с региональными эффектами, вероятно, типа “воздействия снизу” (например, осцилляций планетарных волн).

Liu et al. [2008b] исследовали увеличение электронной концентрации перед тремя другими геомагнитными бурями (21 апреля 2001 г. (Dstmin = = –120 нТл), 29 мая 2003 г. (Dstmin = –150 нТл) и 22 сентября 2001 г. (Dstmin = –60 нТл)), используя наблюдения с помощью ионозондов и измерения ΤΕC вдоль меридиана 120° E в азиатско-австралийском секторе. Все три события демонстрируют совершенно одинаковые особенности. Сильные предбуревые возрастания foF2 и TEC наблюдались одновременно для этих бурь. Возрастания демонстрировали широтную зависимость и имели тенденцию появления в низких широтах с максимумами возле северного и южного горбов экваториальной аномалии ионизации (ЭАИ) и минимумами в области экватора. Авторы утверждают, что широтная зависимость, которую они получили, отличается от результатов, полученных Buresova and Laštovička [2007], которые не нашли широтного эффекта в европейском регионе. Однако различие в широтных и долготных интервалах, рассматривавшихся в обеих статьях, может дать естественное объяснение различию полученных зависимостей.

Существование региональных эффектов в предбуревых возрастаниях foF2 и TEC было также подтверждено Saranya et al. [2011]. Они исследовали предбуревые эффекты над экваториальной станцией Trivandrum и низкоширотной станцией Waltair для 18 бурь с Dstmin < –100 нТл в период 2000–2005 гг. Было обнаружено, что обычно наблюдается существенное возрастание foF2 и TEC перед началом бури над станцией Waltair, тогда как над станцией Trivandrum никакого возрастания не наблюдается. Saranya et al. [2011] пришли к выводу, что величина индекса Dst не влияет на явление предбуревого возрастания. Поскольку предбуревое возрастание наблюдалось как днем, так и ночью, ясно, что солнечные вспышки не могут быть основным двигателем механизма, ответственного за предбуревой эффект.

В упоминавшейся в параграфе 3.1 статье [Liu et al., 2014] во время бури 15 июля 2012 г. (SC в 00:00 UT) анализировались также величины TEC в дальневосточном, австралийском и американском регионах. Как следует из рис. 2 в указанной статье, на широтах от 0° до 50° N c 12:00 UT 14 июля наблюдались локальные повышения TEC с ΔTEC ~ 20–30%. Из рисунка 6 в той же статье следует, что в американском регионе возрастание ΔTEC до 50–60% началось на широтах 0°–60° N примерно за 5 ч до SC.

Рис. 6.

Изменение VTEC 1 и 2 мая 2010 г. по данным измерений на 4 пунктах (из работы [de Abreu et al., 2014]). Кривая – реальные наблюдения, полоса – суточный ход VTEC в спокойный день ± стандартное отклонение. Коды приемных пунктов GPS: MBAR – Uganda, MAL2 – Kenya, HARB – Pretoria, SUTM – Sutherland.

В работе [de Abreu et al., 2014] были детально проанализированы вариации величин VTEC (TEC в вертикальном столбе ионосферы), измеренных с помощью четырех спутников системы GPS на сети приемных пунктов южно-американского и африканского регионов во время двух умеренных геомагнитных бурь 2 и 29 мая 2010 г. Наиболее интересный для данной работы результат состоит в том, что de Abreu et al. [2014] обнаружили положительное возмущение VTEC 1 мая 2010 г. (спокойный в геомагнитном отношении день) с максимумом примерно за 17 часов до SC магнитной бури. Как указывают сами авторы (это видно и на рис. 3 в работе [de Abreu et al., 2014]), это положительное возмущение наблюдалось в указанное время на средних и в низких широтах африканского сектора. Амплитуда возмущения уменьшалась с уменьшением широты, и на приемных пунктах экваториальной зоны оно не наблюдалось. Не наблюдалось заметных предбуревых эффектов в VTEC по измерениям на пунктах южно-американского сектора. Во время магнитной бури с постепенным началом 29 мая 2010 г. предбуревых эффектов в VTEC не наблюдалось.

Наиболее наглядный пример изменения VTEC перед бурей 2 мая 2010 г. представлен на рис. 6, взятом из работы [de Abreu et al., 2014]. Хорошо видно (эту цифру приводят и сами авторы), что по измерениям в пунктах MBAR и MAL2 возрастание VTEC 1 мая составляло ~70% по сравнению со спокойными условиями (т.е. ΔVTEC ~ 70%).

В работе [Shimeis et al., 2015] рассматривались вариации TEC, измеренные на евро-африканской цепочке приемных станций во время геомагнитной бури 5 апреля 2010 г. На рисунке 3 в указанной работе, где приводятся величины TEC для ряда приемных станций для периода бури и спокойного дня, можно видеть, что данные по крайней мере четырех станций демонстрируют превышение величин TEC в период за 24–18 ч до SC над величинами TEC в спокойный день. Амплитуду этих превышений можно визуально оценить в 20–50%.

В работе [Adebiyi et al., 2015] приведены измерения TEC в четырех пунктах: два в северном (Hailsham (HERS) and Penc (PENC)) и два в южном (Port aux Francais (KERG) and Sutherland (SUTH)) полушарии во время 4 умеренных геомагнитных бурь. Перед всеми четырьмя бурями до SC наблюдались величины ΔTEC того или иного знака. Как отмечают сами авторы, наиболее сильные предбуревые эффекты наблюдались перед бурей 11 октября 2010 г. (SC в 06:00 UT). В пункте HERS длительное отклонение ΔTEC с амплитудой –35% наблюдалось примерно за сутки до SC. Следующее отрицательное отклонение с амплитудой, превышавшей 40%, началось за 8 часов до SC и длилось до начала бури. Аналогичное отрицательное возмущение ΔTEC наблюдалось в те же часы в пункте PENC. В пункте KERG отрицательное возмущение началось за 14 часов до SC, длилось до начала бури и имело амплитуду, достигавшую 70%. В пункте SUTH с 05:00 UT 10 октября наблюдались “всплески” положительного возмущения длительностью 2–3 часа и амплитудой до 40–60%.

Аналогичные положительные “всплески” ΔTEC длительностью 2–3 часа и амплитудой от 40 до 80% наблюдались в пункте PENC с 00:00 UT 29 ноября 2006 г. до SC геомагнитной бури в 22:00 UT 29 ноября. В пункте HERS устойчивое положительное возмущение ΔTEC с амплитудой, достигавшей 40%, наблюдалось с 10:00 UT 29 ноября до самого SC.

Blagoveshchensky and Sergeeva [2019] подробно проанализировали сильную магнитную бурю 7 сентября 2017 г., используя данные как вертикального и наклонного зондирования ионосферы, так и измерений TEC. Основной акцент в работе был сделан на влияние указанной бури на условия распространения радиоволн, поэтому обычных данных о поведении foF2 со временем не приводится. Из единственного рисунка, где приводятся данные по ΔTEC (рис. 9 в указанной работе), можно сделать следующий вывод. По измерениям в пункте Свердловск 6 сентября (более чем за сутки до SC в 20:00 UT 7 сентября) наблюдалось возрастание ΔTEC до ~30%. Следующее возрастание с максимумом, превышающим 50%, наблюдалось 7 сентября примерно за 8 часов до SC.

В упоминавшейся в предыдущем параграфе работе [Lei et al., 2018] анализировалась магнитная буря с SC в 21:00 UT 7 сентября 2017 г. Данные по TEC были получены с 25 приемных пунктов в северном и 6 пунктов в южном полушарии. В приемных пунктах JXNC (29° N), HSKD (31° N) и MHBG (54° N) в период с 03:00 до 09:00 UT 7 сентября наблюдались превышения наблюдаемых величин TEC над медианой (величина ΔTEC составляла 20–30%). На низкоширотных станциях DLTV (12° N) и SYBG (18° N) 6 сентября наблюдались небольшие отрицательные отклонения TEC от медианы. Положительные отклонения TEC наблюдались в течение 7 сентября на всех пунктах южного полушария.