Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 5, стр. 619-630

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование трендов параметров ионосферных слоев представляет большой интерес и важно, как в теоретическом, так и в прикладном плане (см. недавний обзор [Данилов и Константинова, 2020]).

Авторами [Данилов и Константинова, 2015; Danilov, 2015] были изучены сезонные и суточные вариации критической частоты слоя F2, foF2, для ряда станций до 2009 г. Позже Данилов и Константинова [2016] проанализировали данные до 2014 г. и обнаружили, что в годы вокруг аномально низкого минимума солнечной активности (СА) 2008–2009 гг. поведение foF2 носило необычный характер. На временнóм ходе величины Δ foF2, которая характеризует тренд foF2, в большинстве случаев наблюдались особенности (“крюки”, “горбы”), которые нарушали гладкий ход Δ foF2, наблюдавшийся в предыдущие годы.

Как и большинство исследователей, которые обращали внимание на необычный характер поведения ионосферных и термосферных параметров в период указанного минимума СА (см., например, [Emmert et al., 2010; Chen et al., 2011; Solomon et al., 2011, 2013]), мы связывали его с нарушением связи между наиболее распространенным индексом солнечной активности F10.7 и интенсивностью коротковолнового солнечного излучения, которое определяет состояние термосферы и ионосферы.

Мы провели анализ трендов foF2 для последующего периода (до 2018 г.), который охватывал 24-й цикл СА, для двух ионосферных станций (Juliusruh и Boulder). При этом мы использовали метод выделения трендов, который был разработан нами ранее, был подробно описан (см., например, Данилов и Константинова [2013]), и использовался в наших предыдущих публикациях.

Напомним лишь кратко суть этого метода. Поскольку мы считаем, что тренды foF 2 имеют антропогенную природу и связаны с охлаждением и оседанием верхней атмосферы (см. Laštovička et al. [2008]), а антропогенные эффекты начали проявляться только с середины 80-х годов, мы рассматриваем период 1957(58)–1980 гг. как эталонный. Для этого периода строится зависимость foF2 от индекса солнечной активности F10.7, и с этой зависимостью сравниваются величины foF2 в анализируемый период. Изменение со временем разницы ΔfoF2 между величинами foF2 при тех же значениях F10.7 в эталонный и анализируемый периоды и дает искомый тренд. Как и в предыдущих работах, мы при нахождении трендов используем сглаженные за 11 лет величины Δ foF2.

Для описываемого метода существенно, что зависимость foF 2 от F10.7 для эталонного периода очень хорошо выражена и имеет высокую статистическую значимость. Коэффициент определенности R ² по F-тесту Фишера для этой зависимости выше 0.90, а в большинстве случаев превышает 0.95, что обеспечивает статистическую значимость 0.98 и выше. Примеры зависимости foF2 от F10.7 для рассматриваемых в следующем параграфе данных приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Примеры зависимости foF2 от F10.7 для эталонного периода.

Ниже приводятся результаты анализа трендов foF2 и hmF2 для периода до 2018 г., которые привели к несколько неожиданным выводам, выходящим за рамки чисто ионосферных исследований.

2. ТРЕНДЫ foF2 И 24-Й ЦИКЛ СА

Мы применили указанный выше метод определения трендов foF2 к месячным медианам станций Juliusruh и Boulder. Эти данные использовались в работах Данилова и Константиновой [2015] для выделения трендов до 2009 г. и теперь были продолжены до 2018 г. Рассматривались месяцы с января по март и моменты местного времени с 10:00 до 14:00 LT, когда согласно нашим предыдущим исследованиям наблюдались наибольшие отрицательные величины в сезонном и суточном ходе этих трендов. Результаты анализа оказались неожиданными.

Результаты приведены на рис. 2 для ст. Juliusruh (февраль 14:00 LT и март 12:00 LT). Эти результаты показывают, что наблюдается совершенно необычное поведение ΔfoF2 со временем, которого не наблюдалось до сих пор ни в одном из наших расчетов. До примерно 2003 г. величина Δ foF2 уменьшается, обеспечивая устойчивый отрицательный тренд foF2 до этого момента. Наклоны линейной аппроксимации до 2003 г. (линии на рис. 2) дают величины тренда k(foF2), близкие по величине к трендам, полученным в более ранних публикациях (здесь и далее все тренды на рисунках и в таблице приведены в единицах МГц в год). Например, в работе Данилова и Константиновой [2015] для 14:00 LT в феврале на ст. Juliusruh был получен отрицательный тренд, равный 0.046 МГц в год, а наклон ΔfoF2 на рис. 2а дает 0.031 МГц в год. Аналогичная ситуация наблюдется и для 12:00 LT в марте (рис. 2б) – минус 0.022 и 0.025 МГц в год, соответственно. Некоторое различие в трендах, опубликованных нами ранее и полученных в данном исследовании, неизбежно должно присутствовать, поскольку в 2015 г. мы использовали среднегодовые значения индекса F10.7, а позже стали использовать сглаженный за 12 мес. месячный индекс F10.7sm12, аналогичный индексу R₁₂, используемому в модели IRI [Bilitza, 1990].

Рис. 2.

Зависимость Δ foF2 от времени для ст. Juliusruh.

Как видно из рис. 2, после 2004 г. начинается неожиданный рост Δ foF2. Как раз с 2003–2005 гг. мы начинаем при сглаживании захватывать годы пресловутого аномального минимума солнечной активности. А дальше идет 24-й цикл СА. Разумных физических причин для этого роста не видно. Количество СО₂ в земной атмосфере продолжает монотонно расти. А, значит, следует ожидать и продолжения процесса охлаждения и оседания верхней ионосферы. Отрицательные тренды foF2, по нашему глубокому убеждению, являются одним из проявлений этого процесса. Наиболее разумное предположение – индекс F10.7 в 24-м цикле не отражает ход ионизующей солнечной радиации (EUV). Тот факт, что 24-й цикл СА является необычным, неоднократно упоминался в докладах на предыдущих четырех Симпозиумах по долговременным трендам в атмосфере и, в частности, в итоговых докладах J. Laštovička. Laštovička [2016] указывал на проблемы, связанные с правильным учетом солнечной активности при поисках ионосферных трендов. В недавней работе De Haro Barbas and Elias [2020] предположение о том, что в 24-м цикле СА нарушается существовавшая ранее связь между индексом F10.7 и солнечным ультрафиолетом рассматривается как основная возможность объяснения полученных указанными авторами трендов foF2 в 24-м цикле.

Чтобы проверить указанную гипотезу, мы сравнили связь F10.7sm12 c другими солнечными индексами: числом солнечных пятен Rz и интенсивностью линии Ly-α. Мы использовали среднемесячные значения индексов Rz и Ly-α и сравнивали их с индексом F10.7sm12, описанным выше. Оказалось, что обе эти связи заметно различаются в 23-м и 24-м циклах. При этом, если в 23-м цикле связь F10.7sm12 с индексами Rz и Ly-α очень хорошо выражена и имеет высокую статистическую значимость (R² > 0.93), то в 24-м цикле она, как правило, выражена хуже.

Пример связи между Rz и Ly-α с F10.7sm12 для февраля приведен на рис. 3. Хорошо видно, что наклон аппроксимирующих линий для точек 23-го цикла (1998–2006 гг.) и 24-го цикла (2010–2018 гг.) в обоих случаях различен, а также то, что разброс точек относительно аппроксимирующей кривой для 24-го цикла больше, чем для 23-го цикла. На рисунке 3а эта разница особенно значительна: R² = 0.60 и R² = 0.94 для 24-го и 23-го циклов, соответственно.

Рис. 3.

Связь среднемесячных значений индексов Rz (a, в) и Ly-α (б, г) с индексом F10.7sm12.

Мы приняли, что указанные связи “правильны” в 23-м цикле и (по неизвестным нам пока причинам) нарушены в 24-м цикле. Поскольку по очевидным физическим причинам следует ожидать, что индексы Rz и Ly-α более тесно связаны с EUV, чем индекс F10.7, мы использовали связи Rz и Ly-α с F10.7sm12, найденные для 23-го цикла, чтобы скорректировать величины F10.7sm12 для 2010–2018 гг. по индексам Rz и Ly-α, наблюдавшимся в 24-м цикле. С помощью скорректированных для 24-го цикла индексов F10.7sm12 были заново проведены расчеты модельных значений foF2 и соответствующих величин Δ foF2. Результаты расчетов приведены на рис. 4.

Рис. 4.

Изменение величины Δ foF2 со временем (ст. Juliusruh, февраль, 14:00 LT) при использовании скорректированных по Ly-α (а) и Rz (б) индексов F10.7sm12.

Необходимо подчеркнуть, что на рис. 4 рассмотрена та же ситуация (ст. Juliusruh, февраль, 14:00 LT), что и на рис. 2а, но при использовании скорректированных индексов F10.7sm12. Видно, что для периода до 2003–2004 гг. мы получаем в обоих случаях тот же тренд, что и на рис. 2а (−0.031 МГц в год). В то же время, использование скорректированных индексов в корне меняет картину изменения Δ foF2 со временем после 2008–2009 гг. Вместо роста величины Δ foF2 со временем, наблюдается ее падение, дающее разумные значения тренда k( foF2), близкие к тренду, полученному для периода до 2003–2004 гг.

В интервале между 2003–2004 и 2007–2008 гг. наблюдается период, который мы условно назвали “смутный период”, когда не удается найти какой-либо системы в поведении Δ foF2. Изменение Δ foF2 в течение “смутного периода” различно для различных ситуаций, но для всех ситуаций характерен переход к уменьшению Δ foF2 по окончании этого периода. Длительность “смутного периода” несколько различна для разных ситуаций и меняется от 3 до 5 лет (см. ниже рис. 5–7).

Мы считаем, что существование “смутного периода” связано с особенностями поведения foF2 в годы около аномального минимума СА. Ранее Данилов и Константинова [2016] обнаружили, что именно в эти годы наблюдаются особенности (“крюки” и “горбы”) в поведении foF2. В данной работе, используя данные для более поздних лет, мы получаем, что при использовании индекса F10.7 аномальное поведение Δ foF2 продолжается и в течение всего 24-го цикла. Однако при использовании скорректированных значений этого индекса, “нормальный” ход Δ foF2 восстанавливается примерно с 2007–2008 гг., когда при сглаживании начинают сказываться “нормальные” значения Δ foF2 после 2010 г.

Обсуждая рис. 4, следует отметить, что даже при линейной аппроксимации всех данных (без разделения на периоды до 2003–2004 гг. и после 2007–2008 гг.) получается отрицательный тренд k( foF2) (штриховая линия), хотя его абсолютная величина невелика, а статистическая значимость мала. Такая картина наблюдалась не во всех рассмотренных ситуациях. В некоторых случаях эффект “смутного периода” был настольно силен, что тренд, полученный по всем точкам, становился нулевым, или даже слегка положительным. Но в других случаях, наоборот, этот тренд становился значительным (отрицательным), близким к тренду до 2003–2004 гг. (см., например, рис. 7б).

Совершенно аналогичная картина наблюдалась для всех 36 рассмотренных ситуаций: две ионосферных станции, три месяца, три момента LT и два корректирующих параметра). Для полноты иллюстрации мы приводим на рис. 5–7 еще несколько примеров для различных ситуаций. Из этих рисунков следует, что во всех случаях наблюдается одна и та же картина: падение Δ foF2, дающее отрицательный тренд k( foF2), “смутный период” с хаотичным поведением Δ foF2 и вновь падение Δ foF2, дающее отрицательный тренд в последние годы временнóго интервала.

Рис. 5.

Изменение величины Δ foF2 со временем (ст. Juliusruh, январь и март, 12:00 LT) при использовании скорректированных по Ly-α индексов F10.7sm12.

Рис. 6.

Изменение величины Δ foF2 со временем (ст. Boulder, январь, 14:00 LT) при использовании скорректированных по Ly-α (6а) и Rz (6б) индексов F10.7sm12.

Сводка результатов для всех рассмотренных ситуаций приведена в табл. 1.

3. ТРЕНДЫ hmF2 И 24-Й ЦИКЛ СА

Мы проанализировали результаты измерений hmF2 на ст. Juliusruh за тот же период с 1957(1958) по 2018 гг., за который анализировались данные по foF2 в предыдущем параграфе. Как и в указанных работах, мы рассматривали три месяца (январь, февраль и март) и три момента местного времени (10:00, 12:00 и 14:00 LT), для которых в наших более ранних работах были получены наиболее выразительные отрицательные тренды foF2 в суточных и сезонных вариациях этих трендов. Величины hmF2 рассчитывались на основании величин М3000 методом Шимазаки [Shimazaki, 1955]. Мы применили к анализу величин hmF2 тот же метод, что использовался нами в течение многих лет для анализа трендов параметров ионосферных слоев. Так же, как и в предыдущем параграфе, мы использовали индекс F10.7sm12, сглаженный за 12 мес., аналогично индексу R₁₂, используемому в модели IRI [Bilitza, 1990].

Рис. 7.

Изменение величины Δ foF2 со временем (ст. Boulder, март, 14:00 LT и ст. Juliusruh, февраль, 12:00 LT) при использовании скорректированных по Rz (a) и Ly-α (б) индексов F10.7sm12.

Следуя процедуре предыдущего параграфа, мы первоначально построили изменение величины ΔhmF2, характеризующей изменение hmF2 в текущий период по сравнению с “эталонным” периодом 1958–1980 гг., используя индекс F10.7sm12 без всякой коррекции. Результаты оказались качественно подобны результатам, полученным по foF2. Примеры изменения ΔhmF2 для 12:00 LT в феврале и 14:00 LT в марте приведены на рис. 8.

Рис. 8.

Примеры изменения ΔhmF2 по данным ст. Juliusruh в 12:00 LT в феврале и в 14:00 LT в марте.

Как следует из рис. 8, в случае hmF2 наблюдается та же картина изменения тренда hmF2 (k(hmF2)) со временем: до 2002–2003 гг. как и в случае foF2 (см. выше рис. 4). Мы имеем хорошо выраженный отрицательный тренд с высокой статистической значимостью (коэффициент определенности R² = 0.96 и 0.90). После 2002–2003 гг. уменьшение ΔhmF2 прекращается и наблюдается его рост. Если рассматривать все годы на рис. 8, то в обоих случаях получается падение ΔhmF2 (сплошная линия), но она соответствует гораздо более низкому тренду при гораздо более низких величинах R².

Поскольку, как и в случае foF2, такое поведение ΔhmF2 представляется нам нереальным и противоречащим текущей ситуации с увеличением количества СО₂ и усилением оседания и охлаждения верхней атмосферы, мы провели с величинами hmF2 ту же процедуру, что и с foF2 в предыдущем параграфе, т.е. использовали для 24-го цикла величины F10.7sm12, скорректированные по величинам индексов Rz и Ly-α, измеренным в этом цикле.

Результаты анализа данных по hmF2 оказались качественно подобны результатам по foF2. До 2002–2003 гг. наблюдается хорошо выраженный отрицательный тренд с высокой статистической значимостью, а затем падение ΔhmF2 нарушается (наступает “смутный период”). И лишь в последние 4–6 лет вновь появляется тенденция уменьшения ΔhmF2 со временем, дающая отрицательный тренд hmF2. Наиболее яркий пример такого поведения ΔhmF2 приведен на рис. 9 для 12:00 LT в феврале при корректировке величин F10.7sm12 индексами Rz и Ly-α. На рисунке 9 и следующих рисунках сплошной линией показаны аппроксимации всех точек. Штриховые линии соответствуют аппроксимации точек до 2002–2003 гг. (левая линия) и для последнего периода (правая линия). Рядом с линиями показаны соответствующие величины тренда в единицах км/год и коэффициента определенности R².

Рис. 9.

Изменение ΔhmF2 со временем (февраль, 12:00 LT) при корректировке индекса F10.7sm12 индексами Rz (а) и Ly-α (б).

Как видно из рис. 9, до примерно 2002 г. в обеих ситуациях наблюдается хорошо выраженный отрицательный тренд (−1.75 км в год), затем в течение “смутного периода” поведение ΔhmF2 носит достаточно хаотичный характер и лишь в последние несколько лет вновь намечается тенденция отрицательного тренда. В этом отношении картина близка к тому, что наблюдается для поведения величин ΔfoF2 (см. соответствующие рисунки в предыдущем параграфе).

Во всех 18 рассмотренных ситуациях (3 мес., 3 момента LT и два корректирующих параметра) указанный эффект присутствует и хорошо выражен в 14 случаях. Для полноты иллюстрации на рис. 10 приводится картина, аналогичная рис. 9, но для 12:00 LT в марте.

Рис. 10.

Изменение ΔhmF2 со временем (март, 12:00 LT) при корректировке индекса F10.7sm12 индексами Rz и Ly-α.

В 4 случаях из 18 эффект “смутного периода” выражен не так четко, как на рисунках 9 и 10. Пример для 10:00 LT в марте и январе приведен на рис. 11. Как видно из рис. 11, там эффект “смутного периода” только намечается в виде небольшого отклонения точек ΔhmF2 от хорошо выраженного хода до 2002–2003 гг. Отрицательный тренд после 2007–2008 гг. выражен лучше, чем на рисунках 9 и 10. Он больше по абсолютной величине и более значим статистически (R² равен 0.84 и 0.95). При этом аппроксимация по всем точкам дает отрицательный тренд с высокой статистической значимостью, близкий по величине к тренду, получаемому до 2002–2003 гг.

Рис. 11.

Изменение ΔhmF2 со временем при корректировке индекса F10.7sm12 индексами Rz (а, (март, 10:00 LT) и Ly-α (б, январь, 10:00 LT).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Итак, проведенный в параграфе 2 анализ данных о критической частоте слоя F2 ионосферы foF2 привел к выводу, что применение наиболее часто используемого индекса солнечной активности F10.7 для выделения трендов foF2 до 2018 г. дает очень странные результаты. Падение величины ΔfoF2, дающее разумный отрицательный тренд k(foF2) нарушается около 2003–2004 гг. и сменяется ростом, дающим сильный положительный тренд. Такое поведение Δ foF2 (и, соответственно, тренда k(foF2)) противоречит существующим представлениям о характере и природе трендов параметров слоя F2. Поскольку продолжается увеличение количества СО₂ в атмосферном газе, следует ожидать и продолжения процесса охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы в течение последнего десятилетия. Измерения различных параметров нейтральной атмосферы и ионосферы показывают, что это действительно так (см., например, итоговый доклад J. Laštovička на 10-м Симпозиуме по долговременным изменениям и трендам в атмосфере [Laštovička, 2018]).

Как уже указывалось выше, многими исследователями обращалось внимание на необычное поведение индекса солнечной активности F10.7 в течение 24-го цикла СА (см., например, [Chen et al., 2014, 2018; De Haro Barbas and Elias, 2020; Laštovička, 2016]). Наиболее четко эта проблема сформулирована в недавней работе De Haro Barbas and Elias [2020]. Авторы этой работы анализировали тренды foF2 по данным двух ионосферных станций (Kokubunji (35.7° N, 139.5° E) и Wakkanai (45.4° N, 141.7° E). Они обнаружили, что включение в анализируемый ряд данных измерений в течение 24-го цикла резко меняет величины получаемых трендов – тренды становятся “более положительными”. Иначе говоря, либо значительно уменьшается магнитуда отрицательных трендов, либо они даже превращаются в положительные.

Указанный результат заставил De Haro Barbas and Elias [2020] предложить два возможных объяснения. Первое из них состоит в том, что “solar cycle 24 is too low and F10.7 underestimates true EUV levels” (24-й солнечный цикл слишком низок и F10.7 недооценивает реальный уровень EUV).

Прекрасный пример того, как ведут себя два типа индексов СА, опубликованный независимо двумя группами авторов, приведен на рис. 12. На рисунке 12а приведено сравнение между индексами солнечного EUV (Ly-α) и F10.7 в более ранний период и в 24-м цикле СА. Он с целью наглядности повторяет наш рис. 3а, приведенный в параграфе 2. На рисунке 12б приведено аналогичное сравнение между индексами солнечного EUV (Mg II) и F10.7 в течение более раннего периода (1979–1995 гг.) и 24-го цикла СА согласно Laštovička [2019]. Рисунки поразительно схожи и приводят к одному и тому же заключению: связь между индексом F10.7 и солнечным EUV нарушается в 24-м цикле.

Рис. 12.

Связь между индексами солнечной активности: (a) Ly-α and F10.7sm12 согласно авторам и (б) MgII и F10.7 согласно Laštovička [2019]. Ромбы и кружки соответствуют более поздним и более ранним периодам (см. текст).

Исходя из предположения о нарушении связи между F10.7 и солнечным EUV в 24-м цикле, мы провели коррекцию величины F10.7, используемой в наших исследованиях трендов. Коррекция состояла в том, что мы использовали зависимости между F10.7 и двумя другими индексами солнечной активности Rz (число солнечных пятен) и Ly-α (интенсивность линии Лайман-альфа в солнечном спектре). Эта процедура подробно описана выше в параграфе 2.

Использование скорректированных индексов F10.7 привело к кардинальному изменению поведения величин Δ foF2 и ΔhmF2 после 2003–2004 гг. Характер получаемых зависимостей подробно описан и проиллюстрирован в предыдущих параграфах. Получено, что эффект “смутного периода” между 2002–2003 и 2007–2008 гг. проявляется в поведении и критической частоты, и высоты слоя F2. Для обоих параметров наблюдается хорошо выраженный отрицательный тренд с высокой статистической значимостью до 2002–2003 гг., а затем на несколько лет этот ход нарушается и наблюдется хаотический характер поведения Δ foF2 и ΔhmF2 со временем. При сглаживании величин Δ foF2 и ΔhmF2, которое мы применяем в нашем методе, этот характер начинает проявляться как раз около 2003–2004 гг. Влияние данных после 2010 г. приводит к восстановлению “нормального” падения Δ foF2 и ΔhmF2, начиная с 2007–2009 гг. Для foF2 это восстановление выражено лучше, чем для hmF2.

Мы считаем, что хаотический характер поведения foF2 во время “смутного периода” связан со спецификой очень низкого минимума солнечной активности 2008–2009 гг. На эту специфику обращали внимание многие исследователи (соответствующие ссылки приведены в предыдущих параграфах). Предполагается, что это связано с особенностями поведения EUV в период 23/24 минимума. Полученные нами результаты по поведению foF2 и hmF2 в “смутный период” косвенно подтверждают это предположение. Тот факт, что хаотичный характер изменения в течение этого периода для Δ foF2 выражен сильнее, чем для ΔhmF2, соответствует тому факту, что критическая частота прямо зависит от EUV (через скорость ионизации), тогда как высота слоя зависит опосредованно через вызванное изменением EUV изменение температуры термосферы. В этом случае более слабая реакция hmF2 на особенности поведения EUV в течение “смутного периода” вполне понятна.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получен неожиданный для ионосферного исследования вывод о том, что наиболее популярный индекс солнечной активности F10.7 в 24-м цикле не передает правильно изменение солнечного ультрафиолетового излучения (EUV), которое определяет поведение термосферы и ионосферы. А, следовательно, его нельзя использовать для анализа трендов термосферных и ионосферных параметров в течение 24-го цикла СА.

Не будучи специалистами в области солнечной физики, мы не в состоянии обсуждать природу или физические механизмы обнаруженного явления. Задача этой работы состоит в том, чтобы просто описать обнаруженный факт и показать степень его обоснованности в рамках наших представлений о характере долговременных трендов foF2 и hmF2.

Мы надеемся, что другие авторы проведут исследования, аналогичные тем, что описаны в работах De Haro Barbas and Elias [2020] и Laštovička [2019] и в данной работе, для проверки полученных выводов о поведении индексов солнечной активности в 24-м цикле СА.

Важным выводом настоящего исследования является то, что индекс СА F10.7 не годится для описания поведения параметров ионосферного слоя F2 и, возможно, других ионосферных параметров в период 24-го цикла СА. Насколько восстановится “нормальная” связь этого индекса с foF2 и hmF2 в 25-м цикле, можно будет сказать лишь через 5–6 лет.

Важным является также и заключение о том, что при корректировке индекса F10.7 с помощью других индексов СА, более тесно связанных с изменением солнечного ультрафиолета, после “смутного периода” продолжаются отрицательные тренды как foF2, так и hmF2.