1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 61, № 6, 2021

Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 6, стр. 741-750

Трехчасовые индексы ионосферной активности

Т. Л. Гуляева 1, *, Х. Хараламбус 2, **

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

2 Фредериск Исследовательский Центр
Никоcия, Кипр

* E-mail: gulyaeva@izmiran.ru
** E-mail: eng.hh@frederick.ac.cy

Поступила в редакцию 24.02.2021
После доработки 12.04.2021
Принята к публикации 27.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложена система локальных и глобальных 3-часовых индексов ионосферной активности, представляющих собой средневзвешенное значение положительных ионосферных возмущений W-индекса, отрицательных возмущений W-индекса и диапазон возмущений. Выполнен анализ глобальных 3-часовых индексов положительных возмущений ионосферы WU, отрицательных WL, и их диапазона WE = WU – WL с 1994 по 2020 гг. по глобальным картам полного электронного содержания JPL GIM-ТЕС. По глобальным картам получена высокая корреляция между ионосферной и солнечной активностью (r2 ≅ 0.85), в то время как геомагнитная возмущенность по kp-индексу показывает слабую корреляцию (r2 ≅ 0.47) с солнечной и ионосферной активностью. Проведено ретроспективное исследование 3-часовых индексов локальной ионосферной возмущенности DU, DL и DE по критической частоте foF2 (максимальной плотности электронов NmF2) на станциях Москва, Слау-Чилтон, Канберра и Порт Стэнли с 1945 по 2020 гг. Наблюдается асимметрия трендов ионосферной активности в северном и южном полушариях: убывание 3-часовых индексов в Москве и Слау-Чилтон и рост ионосферной возмущенности в Канберре и Порт Стэнли. В то же время геомагнитная активность (kp-индекс) убывает в течение последних солнечных циклов, что может быть связано с расчетом планетарного kp-индекса по ограниченному числу станций, расположенных в основном в северном полушарии.

1. ВВЕДЕНИЕ

Традиционно принято изучать ионосферные возмущения как следствие возмущений в межпланетном пространстве и магнитосфере. Такой подход подтверждается многочисленными установленными зависимостями ионосферной реакции на геомагнитные бури [Danilov, 2013, и ссылки там]. Однако в ряде работ было показано, что положительные ионосферные возмущения с увеличением плотности электронов в максимуме слоя F2, NmF2, пропорциональной критической частоте foF2, и полного электронного содержания ТЕС наблюдаются во многих случаях ранее геомагнитных возмущений, т.е. ионосферные возмущения в этих случаях могут служить предвестником возмущений магнитного поля Земли [Immel and Mannucci, 2013; Gulyaeva and Mannucci, 2020]. Кроме того, специальная область литосферно-атмосферно-ионосферных связей рассматривает ионосферные возмущения в связи с землетрясениями, независимо от геомагнитных возмущений [Пулинец и др., 2021; Oikonomou et al., 2021].

Для операторов космической связи и навигации важно знать, показывают ли ионосферные параметры ее обычное спокойное состояние, характерное для данного уровня солнечной активности, или они указывают на краткосрочные возмущения в ионосфере в связи с возмущениями на Солнце и в магнитосфере Земли [Hapgood et al., 2021]. С этой целью в различных исследованиях, моделях космической среды и в операционных системах применяются на практике геомагнитные и ионосферные индексы [Mayaud, 1980; Perrone and De Franceschi, 1998; Гуляева, 1996; Jakowski, 2012; Перевалова и др., 2016; Gulyaeva, 2017; Nishioka et al., 2017; Gulyaeva et al., 2008, 2018, 2021; Brown et al., 2018; Wilken et al., 2018; Borries et al., 2020; Matzka et al., 2021]. В этих работах приводятся характеристики известных солнечных, геомагнитных и ионосферных индексов, включая их период наблюдений, размерность, географические координаты обсерваторий, поставляющих данные наблюдений, интервалы времени наблюдений. В то время как общедоступность известных геомагнитных индексов находит им широкое применение в научных исследованиях и на практике, ионосферные индексы находятся в процессе разработки [Borries et al., 2020, и ссылки там].

Ионосферные индексы, основанные на наблюдениях полного электронного содержания, ТЕС, применимы к текущим данным наблюдений и исследованиям, начиная с 1990 г. [Jakowski, 2012; Перевалова и др., 2016; Gulyaeva, 2017; Nishioka et al., 2017; Wilken et al., 2018; Borries et al., 2020]. Для характеристики долговременных изменений в ионосфере более пригодны индексы, основанные на данных измерений ионозондов, доступных начиная с 1940 г. [Perrone and De Franceschi, 1998; Гуляева, 1996; Nishioka et al., 2017; Gulyaeva et al., 2008, 2018, 2021; Brown et al., 2018]. Для успешного применения разработанных ионосферных индексов в ионосферных моделях и практике космической связи и навигации является их доступность в сети Интернет, подобно имеющимся геомагнитным индексам [Perrone and De Franceschi, 1998; Gulyaeva, 2017; Gulyaeva et al., 2008, 2018; Matzka et al., 2021].

В данной работе в рассмотрение впервые введены 3-часовые индексы ионосферной активности, которые могут обозначать локальные, региональные или глобальные условия в ионосфере. Целью работы является ретроспективное исследование ионосферной изменчивости с помощью 3-часовых ионосферных индексов и сравнение их с солнечной и геомагнитной активностью.

2. СПЕЦИФИКАЦИЯ ИНДЕКСОВ ИОНОСФЕРНОЙ АКТИВНОСТИ

Мониторинг ионосферы мировой сетью ионозондов и глобальной сетью приемников сигналов навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС включает наблюдения ионосферных характеристик, их последующий анализ и прогноз космической погоды для радиосвязи и навигации. Для операторов космической связи и навигации важно знать, показывают ли ионосферные параметры ее обычное спокойное состояние, характерное для данного уровня солнечной активности, или они указывают на краткосрочные возмущения в ионосфере в связи с возмущениями на Солнце и в магнитосфере Земли [Hapgood et al., 2021]. Подобно геомагнитным индексам, локальные изменения ионосферной погоды предложено градуировать W-индексом по четырем уровням для положительных и отрицательных логарифмических отклонений foF2 (NmF2) или полного электронного содержания TEC от спокойного медианного значения [Gulyaeva et al., 2008, 2013; Гуляева и Станиславска, 2011]:

W = 0 отсутствие отклонений

W = ±1 спокойное состояние

W = ±2 умеренное возмущение

W = ±3 умеренная ионосферная буря или суббуря,

W = ±4 сильная ионосферная буря.

Положительный знак W-индекса относится к положительным ионосферным возмущениям, показывающим прирост электронной плотности NmF2 или ТЕС по сравнению со спокойной медианой в фиксированный момент времени в указанном месте, а знак минус означает отрицательное ионосферное возмущение, т.е. падение плотности или содержания электронов в ионосфере по сравнению со спокойным уровнем. Нулевое значение индекса означает равенство измеренного значения спокойной медиане.

В отличие от 1-часовых индексов, 3-часовые индексы ионосферной активности позволяют отметить устойчивые изменения в ионосфере, длительностью 3 ч и более. Локальный или глобальный 3-часовой индекс ионосферной активности представляет собой средневзвешенное за каждые 3 часа мирового времени значение локального положительного ионосферного возмущения DU (глобальный индекс WU), отрицательного ионосферного возмущения DL (WL) и “диапазон возмущения” DE = DU – DL (WE = WU – WL), обозначенных подобно индексам авроральной электроструи AU, AL и AE [Davis and Sugiura, 1966].

При переходе от 1-часовых ионосферных W-индексов к 3-часовым индексам необходимо учесть вклад каждого W-индекса в зависимости от его величины и расположения на глобусе. Для этого введены весовые коэффициенты, выраженные аналитически в работе [Gulyaeva et al., 2021]. Выбранные весовые коэффициенты, равные натуральному логарифму от абсолютной величины W, представлены на рис. 1. Отметим, что 3-часовые индексы за счет принятых весовых коэффициентов полностью относятся к возмущенным условиям в ионосфере, а спокойные условия (W = 0 и W = ±1) исключаются при их подсчете, поскольку ln(|±1|) = 0. Вес каждого последующего уровня W-индекса возрастает: ln(|±2|) = 0.69, ln(|±3|) = 1.10, ln(|±4|) = 1.39.

Рис. 1.

Весовые коэффициенты, равные натуральному логарифму от абсолютной величины ионосферного W-индекса, используемые при расчете 3-часовых индексов.

На рисунке 2 представлено изменение второго типа введенных весовых коэффициентов, которые меняются от 1 до 2 по мере изменения широты от экватора к полюсам. Эти изменения отражают известное распространение ионосферных возмущений от полюсов к экватору, таким образом, учтен наибольший вклад ионосферной возмущенности в высоких широтах в 3-часовые индексы.

Рис. 2.

Весовые коэффициенты, характеризующие вклад W-индекса в зависимости от широты, используемые при расчете 3-часовых индексов ионосферной активности.

Термин “локальный индекс” вводится для обозначения 3-часовых индексов, вычисленных по трем последовательным часовым значениям W-индекса из наблюдений критической частоты foF2 для фиксированных координат (широты и долготы) выбранной ионосферной станции или приемника сигналов навигационных спутников, используемых для измерений TEC. “Глобальный индекс” представляет собой осреднение с указанными весовыми коэффициентами (рисунки 1 и 2) значений W-индекса (W = ±2, ±3, ±4) за 3 последовательных часа, наблюдаемых в узлах ежечасных глобальных карт GIM-TEC. Глобальные карты GIM-TEC, построенные начиная с 1994 г., и соответствующие им карты GIM-W-индекса представлены в формате IONEX [Schaer et al., 2015] на широтах от 87.5° S до 87.5° N с шагом 2.5°, долготах от 180° W до 180° E с шагом 5°. “Региональные индексы” могут быть отнесены к любому региону в ионосфере, и алгоритм их вычисления подобен расчету “глобальных индексов” с ограничением по числу узлов в выбранном регионе. Результаты анализа 3-часовых локальных и глобальных ионосферных индексов представлены ниже.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ИОНОСФЕРНОЙ АКТИВНОСТИ

3.1. Ионосферные индексы в спокойных и возмущенных условиях

Пример наблюдаемой критической частоты foF2 и вычисленных по ней 1-часовых и 3-часовых ионосферных индексов приведен на рис. 3, в котором представлены данные, полученные по наблюдениям дигизонда в Никосии (географическая широта 35.0° N, долгота 33.2° E) в течение марта 2013 г. Критическая частота foF2 показана ежедневно в течение месяца для каждого часа мирового времени на рис. 3а. Видно увеличение значений foF2 в дневные часы, в соответствии с ростом плотности электронов в ионосфере под действием солнечной радиации. 1-часовые значения W-индекса, представленные на рис. 3б, показывают картину чередования индексов от часа к часу и ото дня ко дню. Видно преобладание положительных возмущений в дневные часы в первой половине месяца, заметные периоды отрицательных возмущений ночью с 1 по 6 марта и аналогичные явления отрицательной возмущенности в основном днем с 20 по 25 марта. Более сглаженная картина ионосферной возмущенности видна на рис. 3в в 3-часовых ионосферных индексах: DU (левая часть), DL (центральная часть) и DE (правая часть). Здесь эффекты положительных возмущений DU, отрицательных возмущений DL и диапазонных возмущений DE могут быть видны в конкретные дни и конкретные 3-часовые интервалы, начинающиеся в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч мирового времени. Белыми линиями выделен двухдневный интервал 17–18 марта 2013 г., более подробно рассмотренный в проявлениях космической бури на рис. 4а, б.

Рис. 3.

Диаграмма суточных изменений наблюдаемой критической частоты foF2 в Никосии и вычисленных по ней 1‑часовых и 3-часовых ионосферных индексов в марте 2013 г. (а) Критическая частота foF2 для каждого часа мирового времени; (б) 1-часовые значения W-индекса; (с) 3-часовые ионосферные индексы: DU (левая часть), DL (центральная часть) и DE (правая часть).

Рис. 4.

Параметры геомагнитно-ионосферной бури 17–18 марта 2013 г. (а) сверху вниз: напряженность B межпланетного магнитного поля ММП, Bz-компонента ММП, скорость солнечного ветра Vsw, геомагнитные индексы авроральной электроструи АЕ и долготно-симметричный SYM/H-индекс; SSC – момент внезапного начала геомагнитной бури; (б) сверху вниз: 3-часовые локальные ионосферные индексы DU, DL и DE в Москве, индексы DU, DL и DE в Никосии, 3-часовые глобальные ионосферные индексы WU, WL и WE, геомагнитный kp-индекс.

На рисунке 4а изображены параметры геомагнитно-ионосферной бури 17–18 марта 2013 г. (сверху вниз): напряженность B межпланетного магнитного поля ММП, Bz-компонента ММП, скорость солнечного ветра Vsw, геомагнитные индексы авроральной электроструи АЕ и долготно-симметричный SYM/H- индекс по регистрации H-компоненты геомагнитного поля, эквивалентный Dst-индексу, предоставленные OMNI (https://omniweb.gsfc.nasa.gov/html/omni_min_data. html). Момент внезапного начала геомагнитной бури отмечен линией SSC (Storm Sudden Commencement), наблюдавшейся 17 марта 2013 г. в 6 ч мирового времени (http://www.obsebre.es/en/rapid). На рисунке 4б представлены 3-часовые ионосферные и геомагнитные индексы (сверху вниз): локальные DU, DL и DE-индексы в Москве и Никосии, глобальные ионосферные WU, WL и WE-индексы, и геомагнитный kp-индекс (https:// www.gfz-potsdam.de/kp-index/). Видно внезапное начало геомагнитной бури в момент SSC (6 ч UT), при котором достигнут максимум kp = 6.7. В ионосфере наблюдается постепенное возрастание ионосферной возмущенности в Москве, начиная с 6 ч UT, достигшее максимума DE = 8.0 в 21 ч UT, и более умеренная реакция ионосферы на низкоширотной стации Никосия с максимумом DE = 5.4 в 15 ч UT. Отклик глобальной ионосферы также начинается с момента SSC и достигает пика WE = 6.1 в 9 ч UT. Таким образом, семейство 3-часовых ионосферных индексов отражает особенности отклика локальной и глобальной ионосферы на бурю в межпланетном пространстве.

3.2. Долговременные изменения локальных 3-часовых индексов

Рассмотрим изменение локальных 3-часовых ионосферных индексов по долговременным рядам наблюдений ионозондов на 4 станциях, координаты которых приводятся в табл. 1. Для анализа выбраны станции Слау-Чилтон, Канберра и Москва с многолетними рядами наблюдений в течение 17–25 циклов солнечной активности (СА). Станции Слау-Чилтон и Москва находятся в северном полушарии, а Канберра – в южном полушарии. В список станций включена также станция Порт Стэнли в южном полушарии, которая наряду со станциями Слау-Чилтон и Канберра является одной из базовых станций для вычисления ионосферного IG-индекса, соответствующего солнечной активности [Brown et al., 2018].

Таблица 1.  

Географические и геомагнитные координаты ионосферных станций и период наблюдений, использованные при анализе долговременных изменений в ионосфере

Станция Код URSI Географические Геомагнитные Период
наблюдений, гг.
Lati °N Long °E Mlat °N Mlong °E
Москва MO155 55.5 37.3 50.4 123.2 1946–2020
Слау-Чилтон SL051-RL052 51.6 –1.3 54.1 83.2 1944–2020
Канберра CB53N –35.3 149.0 –43.7 –134.3 1945–2020
Порт Стэнли PSJ5J –51.7 –57.8 –40.6 10.3 1957–2019

На рисунке 5 для выбранных четырех ионосферных станций показана частота появления отрицательных DL-индексов, спокойных условий (ноль на горизонтальной шкале) и положительных DU-индексов. Видно, что спокойные условия наблюдаются более чем в 50% случаев, а распределение возмущенных условий мало отличается на всех станциях. Ранее при долговременном анализе критических частот в Слау-Чилтон, Канберре и Москве было показано, что характер положительных ионосферных возмущений в области повышенной сейсмической активности отличается от изменений геомагнитной активности [Gulyaeva et al., 2017].

Рис. 5.

Частота (в процентах) появления 3-часовых отрицательных DL-индексов и положительных DU-индексов ионосферной активности по многолетним наблюдениям критической частоты foF2 в Москве, Слау-Чилтон, Канберре и Порт Стэнли.

Соответствующее распределение частоты появления индексов диапазона DE показано на рис. 6 для тех же четырех станций за все годы их наблюдения. В данном случае спокойные условия наблюдаются менее чем в 20% случаев на всех станциях, что связано с несовпадением времени появления спокойных условий в DL- и DU-индексах. В то же время распределение возмущенных условий для индекса DE подобно для всех станций.

Рис. 6.

Частота (в процентах) появления 3-часовых диапазонных DE-индексов ионосферной активности по многолетним наблюдениям критической частоты foF2 в Москве, Слау-Чилтон, Канберре и Порт Стэнли.

Рассмотрим многолетние тренды изменения среднегодовых значений диапазонных индексов DE и сравним их со среднегодовыми значениями 3-часового геомагнитного kp- индекса. На рисунке 7а показаны результаты такого сравнения для двух станций в северном полушарии (Москва и Слау-Чилтон). На рисунке 7б показаны результаты сравнения для двух станций в южном полушарии (Канберра и Порт Стэнли). Из рисунка 7а следует, что в северном полушарии наблюдается одинаковая направленность постепенного убывания геомагнитной и ионосферной активности, хотя наклон аппроксимирующей прямой линии убывания для геомагнитного kp-индекса значительно превосходит наклон отрицательного тренда ионосферных возмущений. Однако в южном полушарии наблюдаются разнонаправленные тренды изменения геомагнитной и ионосферной активности. В то время как геомагнитный kp-индекс убывает, ионосферная возмущенность возрастает на станциях Канберра и Порт Стэнли.

Рис. 7.

Многолетние тренды среднегодовых значений диапазонных индексов DE и 3х-часового геомагнитного kp-индекса: (а) индекс kp и индекс DE для двух станций в северном полушарии (Москва и Слау-Чилтон); (б) индекс kp и индекс DE для двух станций в южном полушарии (Канберра и Порт Стэнли).

Отметим, что рост ионосферной возмущенности в южном полушарии наблюдается на фоне долговременных трендов убывания измеренных значений критической частоты foF2 в южном полушарии [Sharan and Kumar, 2021]. Тренд убывания геомагнитного kp-индекса подобен трендам убывания других геомагнитных индексов на фоне убывания солнечной активности [Gulyaeva et al., 2021]. Он может быть также связан с преобладающим расположением магнитометров в северном полушарии, измерения которых используются для вычисления планетарного kp-индекса [Bartels, 1949; Matzka et al., 2021]. Преимущество использования глобальной сети станций Интермагнет, расположенных в 113 обсерваториях по всему земному шару, для сопоставлений с поведением ионосферы во время геомагнитных бурь, было недавно показано в работе [Pei et al., 2021]. Однако для исследований долговременных трендов геомагнитной и ионосферной активности использование сети Интермагнет не применимо, так как она функционирует недавно, с 2008 г.

Что касается асимметрии поведения ионосферной возмущенности в северном и южном полушариях, то она неоднократно отмечалась в литературе как по отношению к ионосфере, так и магнитосфере [Gulyaeva et al., 2014; Weygand et al., 2014; Laundal et al., 2017; Brown et al., 2018; Lockwood et al., 2018]. В обзоре Laundal et al. [2017] связывают эту асимметрию с различием ориентации географического и геомагнитного полюсов и разницей в магнитном поле двух полусфер, которые сказываются в асимметрии конвекции плазмы, нейтральных ветров, полного электронного содержания, исходящих потоков ионов, ионосферных токов и авроральных высыпаний. Подобная асимметрия в долговременных трендах ионосферной активности подтверждена в настоящей работе.

3.3. Глобальные ионосферные индексы в цикле солнечной активности

При анализе глобальных 3-часовых индексов ионосферной активности WU, WL, WE по картам GIM-W-индекса, полученным по картам GIM-TEC [Gulyaeva et al., 2013], была вычислена частота появления спокойного состояния (ниже уровня введенных пороговых значений ионосферной возмущенности) за период с 1994 по 2020 гг. В соответствии с описанием схемы расчета “глобального индекса” в Разделе 2, в 3-часовые индексы включены только значения W = ±2, ±3, ±4, при этом спокойное состояние из расчета исключено. Для оценки спокойного состояния обозначим символом Q параметр, представляющий процент появления “спокойных” индексов W = 0 и W = ±1 на трех последовательных часовых картах, используемых при подсчете глобальных WU-, WL- и WE- индексов.

Результаты приведены на рис. 8. В верхней панели показано изменение солнечной активности по 12-месячному сглаженному рекалиброванному числу солнечных пятен SSN2 (http://sidc.oma.be/ silso/). Результаты расчета индекса Q показаны на средней панели. Сравнение со спокойными 3-часовыми индексами геомагнитной активности kp (kp < 3, нижняя панель) показало, что ионосфера находится в спокойном состоянии (ниже уровня введенных пороговых значений ионосферной возмущенности) в 50–70% времени положительных возмущений WU и от 50 до 90% времени отрицательных WL и диапазонных возмущений WE. Численные оценки изменений глобальных 3-часовых индексов ионосферной возмущенности в сравнении с солнечной и геомагнитной активностью приводятся в табл. 2.

Рис. 8.

Сравнение ионосферных и геомагнитных спокойных условий с солнечной активностью в 23–24 циклах: сглаженное 12-месячное число солнечных пятен SSN2 (верхняя панель); частота появления (в процентах) спокойных условий в ионосфере по глобальным 3-часовым индексам ионосферной активности WU, WL, WE (средняя панель); спокойные 3-часовые геомагнитные kp-индексы, kp < 3, (нижняя панель).

Таблица 2.  

Коэффициенты корреляции между годовыми индексами ионосферной, геомагнитной и солнечной активности за период с 1994 по 2020 гг.

Индекс SSN2 kp WU WL WE
SSN2 1.0 0.47 0.86 0.82 0.85
kp   1.0 0.47 0.48 0.51
WU     1.0 0.94 0.99
WL       1.0 0.97
WE         1.0

В отличие от рис. 8, где представлено сопоставление спокойных ионосферных и геомагнитных условий с солнечной активностью, в табл. 2 представлены результаты корреляции между годовыми индексами числа солнечных пятен с годовой частотой появления возмущенных условий по 3-часовым ионосферным индексам и геомагнитному kp-индексу для всего диапазона возмущений (kp ≥ 3). Отметим, что наилучшая корреляция наблюдается внутри семейства индексов ионосферной возмущенности (коэффициент корреляции 0.94 между WU и WL, 0.97 между WL и WE и 0.99 между WU и WE), что характеризует баланс между положительными WU и отрицательными ионосферными WL возмущениями и их диапазоном WE при подсчете глобальных показателей. Следующий уровень корреляции наблюдается между солнечной активностью и ионосферными возмущениями (коэффициент корреляции от 0.82 до 0.85), что свидетельствует о доминирующем влиянии солнечной активности на ионосферные возмущения. И, наконец, отметим слабую корреляцию геомагнитного kp-индекса с солнечной и ионосферной активностью (коэффициент корреляции от 0.47 до 0.51). При расчете коэффициента корреляции между солнечной и геомагнитной активностью не был учтен сдвиг максимума геомагнитной активности к фазе спада солнечного цикла, когда возмущения обусловлены высокоскоростными потоками солнечного ветра [Matzka et al., 2021]. Этим отчасти объясняется слабая корреляция kp-индекса с солнечной активностью. Кроме того, она обусловлена трендом уменьшения геомагнитной активности в 23–24 солнечном цикле (рис. 7), в то время как в изменения солнечной и ионосферной активности наибольший вклад вносит периодическая 11-летняя цикличность (см. рис. 8, где видна антикорреляция спокойных ионосферных условий с формой солнечных циклов).

4. ВЫВОДЫ

В работе предложена система локальных и глобальных 3-часовых индексов ионосферной активности, представляющих собой средневзвешенное значение положительных ионосферных возмущений W-индекса, отрицательных возмущений W-индекса и диапазон этих возмущений. При подсчете 3-часовых индексов введены весовые коэффициенты для учета вклада умеренных возмущений, умеренных бурь и интенсивных ионосферных бурь и учета широтной зависимости ионосферных возмущений.

Выполнен анализ глобальных 3-часовых индексов положительных возмущений ионосферы WU, отрицательных возмущений WL, и их диапазона WE = WU – WL с 1994 по 2020 гг. по глобальным картам полного электронного содержания JPL GIM-ТЕС. Получена высокая корреляция между ионосферной и солнечной активностью (r2 ≅ 0.85), в то время как геомагнитная возмущенность по kp-индексу показывает слабую корреляцию (r2 ≅ 0.47) с солнечной и ионосферной активностью.

Проведено ретроспективное исследование 3-часовых индексов локальной ионосферной возмущенности DU, DL и DE по критической частоте foF2 (максимальной плотности электронов NmF2) на станциях Москва, Слау, Канберра и Порт Стэнли с 1945 г. по 2020 г. Наблюдается асимметрия трендов ионосферной активности в северном и южном полушариях: убывание 3-часовых индексов в Москве и Слау-Чилтон и рост ионосферной возмущенности в Канберре и Порт Стэнли. В то же время геомагнитная активность kp-индекса убывает в течение последних солнечных циклов, что может быть связано с определением планетарного kp-индекса по ограниченной сети станций в основном северного полушария.

Таким образом, получены первые результаты анализа трендов ионосферной активности за несколько солнечных циклов по ионосферным наблюдениям критической частоты foF2 в течение 75 лет. Полученные результаты подтверждают полезность введенных 3-часовых ионосферных индексов для ретроспективных исследований ионосферной активности.

Список литературы

  1. − Гуляева Т.Л. Логарифмическая шкала ионосферной возмущенности // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 36. № 1. С. 160–163. 1996.

  2. − Гуляева Т.Л., Станиславска И. Классификация ионосферной активности: от локальных индексов к списку ионосферно-плазмосферных бурь // Физика окружающей среды. Томск: ТГУ. С. 81–84. 2011.

  3. − Перевалова Н.П., Едемский И.К., Тимофеева О.В. и др. Динамика возмущенности полного электронного содержания в высоких и средних широтах по данным GPS // Солнечно-земная физика. Т. 2. № 1. С. 36–43. 2016.https://doi.org/10.12737/13831

  4. − Пулинец С.А., Давиденко Д.В., Будников П.А. Метод когнитивной идентификации ионосферных предвестников землетрясений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 1. С. 103–114. 2021.https://doi.org/10.31857/S0016794021010132

  5. − Bartels J. The standardized index Ks and the planetary index Kp // IATME Bull № 12b. P. 97. 1949.

  6. − Borries C., Wilken V., Jacobsen K.S. et al. Assessment of the capabilities and applicability of ionospheric perturbation indices provided in Europe // Adv. Space Res. V. 66. № 3. P. 546–562. 2020.https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.04.013

  7. − Brown S., Bilitza D., Yigit E. Ionosonde-based indices for improved representation of solar cycle variation in the International Reference Ionosphere model // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 171. P. 137–146. 2018.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.08.022

  8. − Danilov A.D. Ionospheric F-region response to geomagnetic disturbances // Adv. Space Res. V. 52. № 3. P. 343–366. 2013.https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.04.019

  9. − Davis T.N., Sugiura M. Auroral electrojet activity index AE and its universal time variations. J. Geophys. Res. V. 71. P. 785–801. 1966.https://doi.org/10.1029/JZ071i003p00785

  10. − Gulyaeva T.L., Stanislawska I., Tomasik M. Ionospheric weather: Cloning missed foF2 observations for derivation of variability index // Ann. Geophysicae. V. 26. № 2. P. 315– 321. http://www.ann-geophys.net/26/315/2008/. 2008.

  11. − Gulyaeva T.L., Arikan F., Hernandez-Pajares M., Stanislawska I. GIM-TEC adaptive ionospheric weather assessment and forecast system // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 102. P. 329–340. 2013.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.06.011

  12. − Gulyaeva T.L., Arikan F., Hernandez-Pajares M., Veselovsky I.S. North-south components of the annual asymmetry in the ionosphere // Radio Sci. V. 49. № 7. P. 485–496. 2014.https://doi.org/10.1002/2014RS005401

  13. − Gulyaeva T.L. Ranking ICME’s efficiency for geomagnetic and ionospheric storms and risk of false alarms // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 164. P. 39–47. 2017.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.07.021

  14. − Gulyaeva T., Arikan F., Stanislawska I. Persistent long-term (1944–2015) ionosphere-magnetosphere associations at the area of intense seismic activity and beyond // Adv. Space. Res. V. 59. N 4. P. 1033–1040. 2017.https://doi.org/10.1016/j.asr.2016.11.022

  15. – Gulyaeva T.L., Arikan F., Sezen U., Poustovalova L.V. Eight proxy indices of solar activity for the International Reference Ionosphere and Plasmasphere model // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 172. P. 122–128. 2018.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.03.025

  16. − Gulyaeva T.L., Mannucci A.J. Echo of ring current storms in the ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr Phys. V. 205. 2020.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105300

  17. – Gulyaeva T.L., Haralambous H., Stanislawska I. Persistent perturbations of ionosphere at diminution of solar and geomagnetic activity during 21–24 solar cycles // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 221. 2021.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105706

  18. − Hapgood M., Angling M.J., Attrill G. et al. Development of space weather reasonable worst-case scenarios for the UK National Risk Assessment // Space Weather. V. 19. № 4. 2021.https://doi.org/10.1029/2020SW002593

  19. − Immel T.J., Mannucci A.J. Ionospheric redistribution during geomagnetic storm // J. Geophys. Res. Space. V. 118. P. 1–12. 2013.https://doi.org/10.1002/2013JA018919

  20. − Jakowski N., Borries C., Wilken V. Introducing a disturbance ionosphere index // Radio Sci. V. 47. RS0L14. 2012.https://doi.org/10.1029/2011RS004939

  21. − Laundal K.M., Cnossen I., Milan S.E. et al. North-South asymmetries in Earth’s magnetic field. effects on high-latitude geospace // Space Sci. Rev. V. 206. № 1–4. P. 225–257. 2017.https://doi.org/10.1007/s11214-016-0273-0

  22. − Lockwood M., Finch I.D., Chambodut A., Barnard L.A., Owens M.J., Clarke E. A homogeneous aa index: 2. Hemispheric asymmetries and the equinoctial variation // J. Space Weather Space Clim. V. 8. A58. 2018.https://doi.org/10.1051/swsc/2018044

  23. − Matzka J., Stolle C., Yamazaki Y., Bronkalla O., Morschhauser A. The geomagnetic Kp index and derived indices of geomagnetic activity // Space Weather. V. 19. 2021.https://doi.org/10.1029/2020sw002641

  24. − Mayaud P.N. Derivation, meaning and use of geomagnetic indices // Geophys. Monogr. Ser. 22. Washington D.C.: AGU. 1980.

  25. − Nishioka M., Tsugawa T., Jin H., Ishii M. A new ionospheric storm scale based on TEC and foF2 statistics // Space Weather. V. 15. P. 228–239. 2017.https://doi.org/10.1002/2016SW001536

  26. − Oikonomou C., Haralambous H., Pulinets S. et al. Investigation of pre-earthquake ionospheric and atmospheric disturbances for three large earthquakes in Mexico // Geosciences. V. 11. P. 16. https://doi.org/10.3390/geosciences11010016,2021

  27. − Pei N., Wu Y., Su R., Li J., Wang Y., Li X., Wu Z. Global-scale coupling characteristics between geomagnetic storms and ionospheric disturbances // Geomagn. Aeron. V. 61. № 4. P. 632–647. 2021.https://doi.org/10.1134/S0016793221040101

  28. − Perrone L., De Franceschi G. Solar, ionospheric and geomagnetic indices // Ann. Geophys. V. 41. P. 843–855. 1998.https://doi.org/10.4401/ag-3824

  29. − Schaer S., Gurtner W., Feltens J. IONEX: The IONosphere Map Exchange Format: Version 1.1.: Darmstadt Germany: ESA/ESOC. ftp.aiub.unibe.ch/ionex/draft/ionex11.pdf. 2015.

  30. – Sharan A., Kumar S. Long-term trends of the F2-region at mid-latitudes in the Southern Hemisphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 220. 2021.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105683

  31. − Weygand J.M., Zesta E., Troshichev O. Auroral electrojet indices in the Northern and Southern Hemispheres: A statistical comparison // J. Geophys. Res. Space. V. 119. № 6. P. 4819–4840. 2014.https://doi.org/10.1002/2013JA019377

  32. − Wilken V., Kriegel M., Jakowski N., Berdermann J. An ionospheric index suitable for estimating the degree of ionospheric perturbations // J. Space Weather Space Clim. V. 8. A19. 2018.https://doi.org/10.1051/swsc/2018008

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал