1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 62, № 2, 2022

Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 2, стр. 227-238

Модель экваториальной аномалии в foF2 по данным ИСЗ Интеркосмос-19 для высокой солнечной активности

А. Т. Карпачев 1, *, Л. В. Пустовалова 1

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

* E-mail: karp@izmiran.ru

Поступила в редакцию 28.08.2021
После доработки 20.09.2021
Принята к публикации 24.09.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Построена эмпирическая модель экваториальной аномалии в критической частоте слоя F2 ионосферы foF2. Основой модели являются данные ИСЗ Интеркосмос-19, полученные в 1979–1981 гг. для спокойных условий при высокой солнечной активности. Модель воспроизводит широтные, долготные, суточные и сезонные вариации foF2 в пределах ±70° магнитного наклонения. В любой сезон экваториальная аномалия согласно модели начинает развиваться с ~08 LT. Хорошо развитая аномалия существует до 02 LT и полностью отсутствует в 04–06 LT. Распределение foF2 в области экваториальной аномалии для разных сезонов и часов местного времени было детально исследовано и скорректировано по данным Интеркосмос-19 ранее, поэтому модель более адекватно воcпроизводит долготные вариации foF2, чем модель IRI, особенно на экваторе и над океанами. Как результат, модель точнее воспроизводит и широтные вариации foF2, в частности более точно описывает структуру аномалии моря Уэдделла, чем модель IRI. Наибольшие расхождения между новой моделью и IRI-2016 для любого сезона наблюдаются в Тихоокеанском долготном секторе, где мало наземных станций. Расхождения большие в полночь (распад экваториальной аномалии по модели IRI начинается раньше, чем по данным спутника) и утром в 06 LT (по данным IRI рост foF2 начинается намного раньше восхода Солнца). Новая модель в виде программы представлена на сайте ИЗМИРАН. Программа позволяет рассчитать значения foF2 в каждой точке, долготные, широтные, суточные и сезонные вариации foF2, а также распределение foF2 для фиксированных моментов LT и UT.

1. ВВЕДЕНИЕ

Вариации экваториальной ионосферы определяются главным образом динамикой экваториальной аномалии (ЭА). ЭА характеризуется провалом электронной концентрации над экватором и ее увеличением на широте гребней аномалии по обе стороны от экватора. Формирование ЭА связано с фонтан-эффектом под действием вертикального дрейфа плазмы (см., например, [Rishbeth, 2000]). Вертикальный дрейф плазмы создается зональным электрическим полем, которое зависит от многих причин. Поэтому динамика ЭА крайне изменчива, что вызывает постоянный интерес к ее исследованию. Много лет ЭА изучалась по данным наземных станций в основном в двух долготных секторах – Азиатском и Американском, и частично – в Африканском [Lyon and Thomas, 1963; Rao and Malthotra, 1964; Rastogi et al., 1972; Rajaram, 1977; Walker, 1981; Sastri, 1990]. В этих же долготных секторах регистрировались и данные внешнего зондирования на спутниках Alouette и ISIS [Lockwood and Nelms, 1964; Eccles and King, 1969; Sharma and Hewens, 1976]. Несколько спутников проводили прямые измерения электронной концентрации на фиксированных высотах и давали глобальный, для всех долгот, обзор экваториальной ионосферы. Это в особенности относится к спутникам Ariel [Hopkins, 1972] и CHAMP, орбита которого находилась практически на высотах максимума слоя F 2 350–480 км [Lei et al., 2010]. Богатый материал по вариациям электронной концентрации в области ЭА дал радиозатменный эксперимент FORMOSAT-3/ COSMIC [Ram et al., 2009; Tsai et al., 2009; Yue et al., 2015], но он относится только к низкой солнечной активности. Результаты многолетних исследований ЭА обобщены в обзорах [Rajaram, 1977; Walker, 1981; Sastri, 1990; Rishbeth, 2000]. Эти исследования, в частности, показали, что при высокой солнечной активности ЭА существует практически все сутки. Отметим, что единственным спутником, который поставлял данные для исследования глобального распределения электронной концентрации в области ЭА для высокой солнечной активности до сих пор является Интеркосмос-19 (ИК-19). По данным ИК-19 были построены распределения foF2 и детально исследованы характеристики ЭА для всех долгот, часов местного времени и сезонов [Карпачев, 2018, 2020, 2021]. Были детально рассмотрены вариации foF2 с широтой, долготой и местным временем. Фактически была заложена база для создания эмпирической модели ЭА для высокой солнечной активности. Построение новой модели ЭА как раз и является целью данной статьи. На настоящий момент единственная модель ЭА представлена только в рамках международной справочной ионосферы IRI-2016. В последнее время было предпринято несколько попыток оценить качество модели IRI по данным наземных станций в Южной Америке [Ezquer et al., 2014], в Африке [Oyekola and Fagundes, 2012], в Индии [Chaitanya et al., 2015] и в Южной Азии [Liu et al., 2019]. Были обнаружены довольно сильные расхождения с моделью IRI над этими станциями в некоторых условиях. Новая модель, построенная по данным ИК-19, позволяет провести сравнение с IRI-2016 наиболее полно, в глобальном плане. Такое сравнение было начато ранее в работе [Karpachev, 2021].

2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Спутник ИК-19 активно функционировал с марта 1979 г. по февраль 1981 г., этот период относится к высокой солнечной активности F 10.7 = = 150–250. Спутник обращался на эллиптической орбите с высотами 500–1000 км и наклонением 74°. На борту спутника находилось записывающее устройство, которое позволяло регистрировать цифровые ионограммы на любой долготе в пределах наклонения орбиты. Зондирование производилось с дискретностью 16 с и 64 с (время получения ионограммы 6 с). На экваториальных и низких широтах это составляет 1° и 4° по широте соответственно. Ионозонд спутника производил зондирование внешней ионосферы в диапазоне частот от 0.3 до 15.95 МГц. Значения foF2 в гребнях ЭА иногда превышали верхний предел, но таких случаев было не очень много и они довольно просто экстраполируются в рамках широтного разреза foF2. Из ионограмм ИК-19 рассчитывались N(h)-профили внешней ионосферы согласно методу Джексона [Jackson, 1969], которые давали значения foF2 и hmF2. Эти значения использовались для построения распределения параметров максимума слоя F 2 в области экваториальной аномалии в пределах ±70° магнитного наклонения I. Магнитный экватор (далее просто экватор) соответствует I = 0°. Орбитальные параметры спутника, включая магнитное наклонение, рассчитывались по стандартной программе “КАДР”, в основе которой лежит модель международного поля IGRF для эпохи 1975.

Для равноденственных условий (март–апрель и сентябрь–октябрь) было отобрано 58 000 пар значений foF2 и hmF2, для летнего солнцестояния (май–август) 70 000, и для зимнего солнцестояния (ноябрь–февраль) 40 000. Все данные относятся к спокойным условиям Kр ≤ 3. Данных для каждого сезона оказалось достаточно для построения 12 так называемых LT-карт через каждые 2 ч местного времени, при этом на одну карту приходится 3000–4000 значений foF2 или hmF2. Карты строились рутинной программой Surfer методом обратных расстояний. Данные для каждой карты равномерно покрывали все долготы, поэтому в результате получалось довольно гладкое распределение foF2 и hmF2, что является косвенным подтверждением адекватности полученных данных. В данной работе рассматриваются только вариации foF2. На рис. 1 слева приведены широтные разрезы ЭА для 20.1 LT, когда ЭА максимально развита и для 5.5 LT, когда она не выражена. Справа показан высотно-широтный разрез хорошо развитой аномалии для дневных условий.

Рис. 1.

Слева: широтные разрезы ЭА, полученные 28.02.1980 г. и 05.07.1979 г. Справа: высотно-широтный разрез ЭА, полученный 04.04.1979 г. для 12 LT в долготном секторе 180° Е.

Выше было сказано, что ЭА всегда стартует с ~08 LT. Это иллюстрирует рис. 2. На нем показана структура ЭА в период ее развития с 08 до 14 LT. Пример относится к июньскому солнцестоянию. Видно, что уже в 08 LT формируется хорошо выраженный южный гребень аномалии. Это типичное поведение ЭА для солнцестояния – сначала формируется зимний гребень аномалии. Северный, т.е. летний, гребень появляется только к 10 LT, и только на отдельных долготах. Летний гребень долго остается меньше зимнего и сравнивается с ним по величине только к 14 LT. Из рис. 2 видно также, что ЭА днем наиболее хорошо развита в долготном секторе 90°–120° Е. При высокой солнечной активности foF2 в гребнях аномалии достигает значений 14–15 МГц.

Рис. 2.

Распределение foF2 для 08, 10 и 14 LT в период июньского солнцестояния.

3. ДОЛГОТНЫЕ ВАРИАЦИИ foF2

Модель ионосферы можно строить в терминах местного или мирового времени. Однако в рамках мирового времени долготные вариации foF2 состоят из смеси суточных и долготных вариаций, их невозможно разделить и трудно анализировать. Долготные вариации параметров ионосферы для фиксированных значений LT имеют искусственный характер, но зато он хорошо известен, поскольку определяется четко установленными причинами. Это в первую очередь относится к средним широтам, где долготный эффект исследовался в течение многих лет, в том числе и по данным ИК-19 (см., например, [Challinor and Eccles, 1971; Деминов и Карпачев, 1988; Ben'kova et al., 1990; Карпачев и др., 2010; Klimenko et al., 2016; Li et al., 2018]). Эти исследования установили, что на фиксированной геомагнитной широте долготные вариации foF2 днем определяются в основном солнечной ионизацией, а ночью – нейтральным ветром. Исследования вариаций параметров ионосферы над экватором на всем интервале долгот также начинались по данным ИК-19 [Коченова, 1987; Карпачев, 1988], но особенно интенсивно проводились в последние годы (см., например, [Lin et al., 2007; Ram et al., 2009; McNamara et al., 2010; Brahmanandam et al., 2011; Pedatella et al., 2011; Onohara et al., 2015]). Было установлено, что долготные вариации структуры дневной ЭА определяются вертикальным дрейфом плазмы в рамках фонтан-эффекта. А на долготные вариации вертикального дрейфа плазмы сильно влияют приливные движений в нижней атмосфере (см. обзор [Pancheva and Mukhtarov, 2012] и ссылки в нем). Опыт, накопленный во всех этих исследованиях, помогает при анализе долготных вариаций foF2, и, как результат, позволяет их корректировать. С помощью этой коррекции можно исправить недостатки массива данных, который получен в разных геофизических условиях и поэтому характеризуется достаточно сильным разбросом. Пример анализа долготных вариаций foF2 приведен на рис. 3. Пример относится к дневным и ночным часам в период июньского солнцестояния. На рис. 3а представлены вариации foF2, усредненные для 12–14 LT в интервалах магнитного наклонения 60 ± 3°, 0 ± 5° и –60 ± 3°. Штриховыми кривыми показаны вариации географической широты φ для 60° и –60° наклонения, которые определяют изменения зенитного угла Солнца. Видно, что вариации foF2 днем на фиксированной геомагнитной широте, как и следовало ожидать, определяются, в основном, солнечной ионизацией, с большей степенью в южном полушарии и с меньшей – в северном полушарии. Неполное соответствие связано с влиянием нейтрального состава термосферы [Карпачев и др., 2010]. Вариации foF2 над магнитным экватором для рассматриваемых условий определяются, с некоторой задержкой, вертикальным дрейфом плазмы W, как сказано выше и что было показано в работе [Карпачев, 2020].

Рис. 3.

(а) – Долготные вариации foF2 для июньского солнцестояния, усредненные для 12–14 LT в интервалах магнитного наклонения 60 ± 3°, 0 ± 5° и –60 ± 3°. Штриховыми кривыми для 60°I и –60°I показаны вариации географической широты, а для экватора – скорости вертикального дрейфа плазмы W, выделенные из работы [Fejer et al., 2008] для 10–12 LT. На каждом графике указаны значения коэффициента корреляции r, стандартного отклонения σ, и амплитуды эффекта А. (б) – То же самое, что и на рис. 3а, но для околополуночных условий. Штриховыми кривыми для 60°I и –60°I приведены вариации sinD, а для экватора – скорости вертикального дрейфа плазмы W, выделенные из работы [Fejer et al., 2008] для 22–24 LT.

На рисунке 3б приведены вариации foF2 для околополуночных условий. Штриховыми кривыми для 60°I и –60°I в этом случае показаны вариации sin D, где D склонение геомагнитного поля. Высокая корреляция foF2 и sin D в северном полушарии свидетельствует о том, что долготные вариации foF2 почти полностью определяются зональной компонентой нейтрального ветра (см., например [Деминов и Карпачев, 1988]). Это следует из известного соотношения: foF2 ~ W = = ‒(U sin D + V cos D) sin I cos I, где W – скорость вертикального дрейфа из-за нейтрального ветра; U и V – зональная и меридиональная компоненты ветра соответственно. Поскольку величина U sin D с долготой изменяется гораздо сильнее, чем V cos D, наблюдается корреляция foF 2 именно c U sin D, а поскольку U ~ const, то с sin D. В южном полушарии корреляция неполная, что означает наличие и других причин, скорее всего изменений с долготой нейтрального состава и температуры термосферы [Карпачев и др., 2010]. В северном полушарии овалами очерчены две группы точек, которые расположены намного выше и ниже аппроксимирующей кривой. Дополнительный анализ показывает, что они относятся к очень низким и очень высоким значениям солнечной активности (F 10.7 ~ 145–150 и 210–250 соответственно). Однако, во-первых, они не сказываются на среднем значении, а, во-вторых, их можно учесть при анализе. Вариации foF2 над экватором, также как и днем, связаны со скоростью вертикального дрейфа плазмы, хотя из рис. 3б видно, что это также не единственная причина. Итак, качественный анализ данных ИК-19 показывает наличие относительно простой картины в долготных вариациях foF2. Что и позволяет контролировать и корректировать эти вариации.

4. ТОЧНОСТЬ МОДЕЛИ

Картина долготных вариаций foF2, представленная в виде примера на рис. 3, позволяет оценить точность модели. На каждой панели рис. 3 приведены коэффициент корреляции r, стандартное отклонение σ и амплитуда эффекта А. Видно, что долготные вариации foF2 во всех случаях выделяются уверенно, поскольку амплитуда эффекта А всегда больше величины 2σ. Сказанное в принципе относится ко всем сезонам, часам местного времени и широтам. В табл. 1 ниже приведены значения σ в сравнении с амплитудой долготного эффекта. Для представления результатов тестирования были отобраны только околополуденные и околополуночные условия обоих солнцестояний и равноденствия. Характеризуя весь массив данных, следует отметить следующее. Во всех случаях коэффициент корреляции находится в интервале 0.5–0.9. Стандартное отклонение изменяется от 0.58 до 1.2 МГц. Величина 2σ как правило гораздо меньше амплитуды эффекта. При этом наблюдается простая закономерность: днем амплитуда долготного эффекта меньше, но и разброс данных меньше, ночью разброс больше, но и амплитуда долготного эффекта гораздо больше. Исключение составляют вариации foF2 над экватором в ночное время во время декабрьского солнцестояния и равноденствия, где амплитуда эффекта малая, а разброс данных большой, главным образом вследствие сильной диффузности экваториальных ионограмм. В этом случае долготный эффект выделялся с трудом, после тщательной проверки данных. Отметим, однако, что в терминах широтных вариаций foF2 более важны абсолютные значения стандартного отклонения. С этой точки зрения даже большие отклонения 1.00–1.2 МГц не критичны для описания широтного профиля foF2 в области ЭА. Основываясь на этом, ниже при сравнении с моделью IRI, будут рассматриваться только большие отклонения, более 2 МГц.

Таблица 1.  

Стандартное отклонение/амплитуда долготного эффекта в foF2 в разных условиях

Сезон LT 60° I Экватор –60° I
Июньское солнцестояние 00 0.79/3.20 1.05/4.20 0.58/3.50
12 0.80/2.30 0.75/1.50 0.95/2.80
Равноденствие 00 0.82/3.20 1.05/2.00 0.98/5.00
12 0.80/1.70 0.84/2.00 0.96/2.40
Декабрьское
солнцестояние 		00 0.62/3.20 0.86/1.80 0.85/5.00
12 0.68/2.20 0.80/3.00 1.15/3.50

На рисунке 4 приведены долготные вариации foF2 для декабрьского и июньского солнцестояний на средних широтах северного и южного полушарий соответственно. Иначе говоря, они представляют долготный эффект в foF2 для условий местной зимы в обоих полушариях для всех часов местного времени. Долготные вариации считаны с LT-карт, поэтому представлены с интервалом 30° по долготе. На рис. 4 в обоих полушариях наблюдается очень простая картина – верхние кривые описывают дневные условия, а нижние кривые – ночные условия. Характер долготного эффекта и днем и ночью довольно стабильный, поскольку определяется, в общем, одними и теми же причинами. Кривые foF2 для 08 и 18 LT представляют переход от дневных к ночным условиях, и поэтому носят отпечаток и дневных и ночных источников. Отметим, что на этом этапе долготные вариации foF2 были дополнительно скорректированы и сглажены для соответствия суточным вариациям. Картина долготного эффекта для условий местного лета и равноденствия не такая наглядная, но это не принципиально, основные закономерности те же самые.

Рис. 4.

Долготные вариации foF2 для декабрьского солнцестояния для всех часов местного времени на средних широтах северного полушария (слева) и для июньского солнцестояния на средних широтах южного полушария (справа). Несколько кривых сделаны штриховыми сугубо для удобства распознавания.

5. ШИРОТНЫЕ ВАРИАЦИИ foF2

После коррекции долготных вариаций foF2 определялись широтные профили foF2 с интервалом 5° по широте и 30° по долготе. На рис. 5 приведены широтные профили foF2 для последовательных часов местного времени в сравнении для июньского и декабрьского солнцестояний. Для каждого часа выбирались характерные долготные сектора, в которых наиболее ярко проявилась разница в асимметрии ЭА между летними и зимними условиями. Видно, что ЭА во время обоих солнцестояний начинает формироваться с 08 LT после появления зимнего гребня аномалии, т.е. северного во время декабрьского солнцестояния и южного в период июньского солнцестояния. Сильная асимметрия ЭА сохраняется до полудня. На широтных разрезах foF2 для 10 LT и 12 LT можно заметить формирование летнего гребня на фоне среднеширотного максимума foF2. В 16 LT гребни аномалии сравниваются, а в 18 и 20 LT снова зимний гребень намного больше летнего. Ночью, с 22 LT и до 04 LT утра в летнем южном полушарии ярко проявляется максимум foF2, связанный с так называемой Weddell Sea Anomaly (WSA) [Bellchambers and Piggott, 1958; Карпачев и др., 2011]. Эта аномалия наблюдается в летнем южном полушарии в области, на самом деле гораздо более обширной, чем море Уэдделла. Аномалия состоит в том, что ночные значения foF2 оказываются гораздо больше дневных значений. Расчеты по модели GSM TIP показывают, что WSA определяется вертикальным дрейфом плазмы из-за нейтрального ветра, горизонтальным дрейфом плазмы вследствие электромагнитного дрейфа и распределением нейтрального состава термосферы [Klimenko et al., 2015]. После полуночи значения foF2 в южном полушарии намного больше местным летом, чем зимой. Точечными кривыми приведены примеры сильного расхождения данных ИК-19 с моделью IRI-2016.

Рис. 5.

Широтные профили foF2 для разных часов местного времени и разных долгот для июньского (сплошные кривые) и декабрьского (штриховые кривые) солнцестояний. Точечные кривые – модель IRI-2016.

Из рисунка 5 видно, что могут наблюдаться сильные расхождения между данными ИК-19 и моделью IRI. Поэтому на рис. 6 соответствие данных ИК-19 и модели IRI более детально рассмотрено на примере равноденствия. В 08 LT модель IRI показывает чересчур развитую ЭА. В период 16–22 LT южный гребень аномалии в модели IRI гораздо больше, чем северный, в то время как по данным ИК-19 они скорее симметричны. Самые большие расхождения наблюдаются в полночь: по данным ИК-19 аномалия еще прекрасно развита, а в модели IRI она уже практически распалась. Это справедливо для всех сезонов. В 06 LT электронная концентрация в модели IRI чересчур высокая, хотя это время точно соответствует восходу Солнца на экваторе. Таким образом, хотя модель IRI-2016 в общем неплохо воспроизводит структуру экваториальной ионосферы для высокой солнечной активности, она нуждается в значительной коррекции.

Рис. 6.

Широтные профили foF2 для условий равноденствия по данным ИК-19 (сплошные кривые) и модели IRI-2016 (штриховые кривые) для разных часов местного времени и разных долгот.

6. СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ foF2

Поскольку LT-карты строились для каждого часа местного времени независимо, это могло привести к искажению суточного хода foF2. Поэтому суточные вариации foF2 тестировались на средних широтах и над экватором и также корректировались. Критериев коррекции было два – гладкость суточного хода и соответствие модели IRI. Второе условие, как будет видно ниже, не является обязательным. Качество воспроизведения суточных вариаций foF2 демонстрирует рис. 7. На нем для примера приведены суточные вариации в долготных секторах 90° Е и 270° Е для всех сезонов над экватором и на средних широтах южного полушария. На средних широтах северного полушария проблем в описании суточных вариаций практически не было, поэтому оно на рис. 7 не приведено. В южном полушарии во время летнего солнцестояния суточные вариации foF2 по данным ИК-19 и IRI совпадают. Во время зимнего солнцестояния расхождения в долготном секторе 270° связаны с тем, что IRI не достаточно точно воспроизводит аномалию моря Уэдделла. Во время равноденствия расхождения между данными ИК-19 и IRI превышают днем ±1 МГц. Это означает, что долготный эффект в дневной ионосфере чересчур сильный в модели IRI. Поэтому данные ИК-19 в данном случае не корректировались. Вариации foF2 над экватором днем различаются слабо в любой сезон и на любой долготе. И спутник, и модель IRI показывают наличие так называемого выкуса (bite-out) в околополуденной ионосфере. Однако, как уже было сказано выше, и утром (в 06 LT) и в полночь расхождения большие, поскольку IRI неверно воспроизводит вариации foF2 в эти периоды. Поэтому данные ИК-19 в этом случае также не корректировались.

Рис. 7.

Суточные вариации foF2 для июньского солнцестояния, равноденствия и декабрьского солнцестояния на экваторе и на широте –60° I в долготных секторах 90° Е (сплошные кривые) и 270° Е (штриховые кривые) по данным ИК-19 (толстые кривые) и модели IRI-2016 (тонкие кривые).

7. СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ foF2

Распределение foF2 в области ЭА было получено усреднением данных ИК-19 для всех месяцев каждого сезона. Распределение foF2 для каждого месяца создавалось с помощью модели IRI. Для этого значения foF2 на широте 60°I в обоих полушариях усреднялись по всем долготам, как по данным спутника, так и модели IRI. Затем среднее значение foF2 по данным спутника приравнивалось к среднему значению по модели. Поскольку модель IRI в общем неадекватно воспроизводит вариации foF2 над экватором, данные ИК-19 над экватором не корректировались. Поэтому на всех широтах меньше 60°I значения foF2 корректировались с коэффициентом, который монотонно уменьшался от 1 до 0 к экватору. Результат такой процедуры приведен на рис. 8а для околополуночных условий. Пример показан для двух характерных долготных секторов 210° и 270° для средних широт и экватора. Из рис. 8а видно, что на средних широтах в обоих полушариях сезонные вариации foF2 по данным ИК-19 практически не отличаются от модельных, полученных, как известно, по данным наземных станций. Мало того, сезонные вариации по данным ИК-19 более гладкие, в них нет резких неоправданных скачков. Вариации foF2 над экватором по данным ИК-19 носят заведомо более “правильный” характер. Это в особенности относится к сектору 210°, который в IRI воспроизводится явно неадекватно, не только в летние, но и в другие месяцы, как видно из рис. 6 и рис. 8.

Рис. 8.

(а) – Сезонные вариации foF2 для околополуночных условий в долготных секторах 210° Е и 270° Е на средних широтах северного и южного полушарий и на экваторе по модели IRI-2016 (тонкие кривые) и согласно новой модели (толстые кривые и точки). (б) – Сезонные вариации foF2 для утренних условий (06 LT) в долготных секторах 90° Е и 210° Е на средних широтах северного и южного полушарий и на экваторе по модели IRI-2016 (тонкие кривые) и согласно новой модели (толстые кривые и точки).

Но особенно сильно отличаются значения foF2 утром. Поэтому на рис. 8б представлены сезонные вариации для 06 LT. На средних широтах, как и в полночь, данные спутника не сильно отличаются от модели IRI, при этом они опять же более сглаженные. Над экватором модель IRI показывает чересчур высокие значения foF2 для 06 LT, о чем уже говорилось раньше. Мало того, и характер сезонных вариаций сильно отличается от того, что показывает спутник. И снова наибольшие расхождения наблюдаются в долготном секторе 210°. Таким образом, модель IRI в целом неадекватно воспроизводит вариации электронной концентрации над экватором, особенно над Тихим океаном. Это следовало ожидать, поскольку на экваторе мало наземных станций.

Основой новой модели являются LT-карты foF2. Они показывают, как меняется электронная концентрация с долготой при вращении Земли под спутником, который в течение суток располагается примерно в одном и том же секторе местного времени (например в полдень на одной стороне Земли, и в полночь на другой стороне). Однако для практических целей важнее иметь мгновенный снимок ионосферы в выбранный момент UT-времени. Такой снимок можно получить, если имеются LT-карты для всех часов местного времени. На рис. 9 для примера приведено распределение foF2 для марта для 00 UT. UT-карта в сжатом виде описывает развитие ЭА с течением LT-времени, что детально было изложено в предыдущих работах [Карпачев, 2018, 2020, 2021] и кратко описано выше. Из рисунка 9 четко видно, что ЭА появляется на долготе 120°, т.е. в 08 LT. Наибольшего развития гребни ЭА достигают на долготе 210°, т.е. в 14 LT. Вечером гребни аномалии не столь сильно развиты, поскольку период 20–22 LT приходится на долготы 300°–330°. Наконец видно, что хорошо выраженная ЭА при высокой солнечной активности наблюдается даже в полночь и распадается только после 02 LT. С 04 LT до 06 LT ЭА отсутствует. Похожая картина наблюдается и для других месяцев, но асимметрия между северным и южным полушариями кардинально изменяется в зависимости от сезона (месяца).

Рис. 9.

Распределение foF2 в марте для 00 UT.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе большого массива данных Интеркосмос-19 было построено распределение foF2 в области ЭА для всех долгот, часов местного времени и сезонов. Это позволило провести наиболее детальное на настоящий момент исследование характеристик ЭА для высокой солнечной активности [Карпачев, 2018, 2020, 2021]. В свою очередь это дало возможность построить наиболее адекватную эмпирическую модель ЭА. Модель воспроизводит структуру ЭА, включая долготные, широтные, суточные и сезонные вариации foF2 и вариации положения гребней аномалии. Новая модель представлена в пределах ±70° наклонения. Это соответствует интервалу географических широт от 60° N до 80° S и интервалу геомагнитных широт от 55° N до 70° S. Основой модели являются LT-карты, построенные через 2 ч местного времени. Они представлены в таблицах с интервалом 30° по долготе и 5° по широте, всего было создано 144 таблицы. Точность модели определяется величиной разброса данных. В дневной ионосфере разброс данных (стандартное отклонение) меньше 1 МГц, что при величине foF2 в экваториальной ионосфере 10–14 МГц не превышает 10%. Ночью разброс данных увеличивается до ~1.2 МГц, главным образом вследствие сильной диффузности экваториальных ионограмм, хотя и другие причины могут оказывать влияние, в частности электрические поля и ПИВ. Таким образом, разброс данных в ночной ионосфере при величине фоновой концентрации ~6 МГц составляет ~20%. Это обычные значения day-to-day вариаций, получаемые по данным наземных станций. Новая модель существенно точнее модели IRI-2016. Наиболее неадекватно IRI описывает ситуацию над экватором, над Тихим океаном, утром (06 LT), вечером (20–22 LT) и в полночь (00 LT), поэтому она нуждается в серьезной коррекции. Новая модель ЭА в виде программы представлена на сайте ИЗМИРАН: https:// www.izmiran.ru/ionosphere/eia/. Программа в режиме on-line позволяет рассчитать значения foF2 в любой точке пространства и времени, долготные, широтные, суточные, сезонные вариации foF2, а также распределение foF2 в терминах LT и UT времени.

Список литературы

  1. – Деминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в ночной среднеширотной ионосфере по данным ИСЗ Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 28. № 1. С. 76–80. 1988.

  2. – Карпачев А.Т. Механизмы долготного эффекта в ночной экваториальной аномалии электронной концентрации во внешней ионосфере. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 28. № 4. С. 620–624. 1988.

  3. – Карпачев А.Т., Гасилов Н.А., Карпачев О.А. Причины долготных вариаций NmF2 на средних и субавроральных широтах в летних ночных условия // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 4. С. 507–513. 2010.

  4. – Карпачев А.Т., Гасилов Н.А., Карпачев О.А. Морфология и причины аномалии моря Уэдделла // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 51. № 6. С. 828–840. 2011.

  5. – Карпачев А.Т. Суточные и долготные вариации структуры экваториальной аномалии в периоды равноденствий по данным ИСЗ Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 3. С. 423–433. 2018. https://doi.org/10.31857/S0016794021010065

  6. – Карпачев А.Т. Вариации структуры экваториальной аномалии в период летнего солнцестояния по данным ИСЗ Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 2. С. 229–241. 2020. https://doi.org/10.31857/S0016794020020066

  7. – Карпачев А.Т. Суточные и долготные вариации экваториальной аномалии для зимнего солнцестояния по данным ИСЗ Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 1. С. 29–43. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021010065

  8. – Коченова Н.А. Долготные вариации экваториальной ионосферы по данным ИСЗ Интеркосмос-19 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 27. № 1. С. 142. 1987.

  9. – Bellchambers W.H., Piggott W.R. Ionospheric measurements made at Halley Bay // Nature. V. 182. P. 1596–1597. 1958. https://doi.org/10.1038/1821596a0

  10. – Ben’kova N.P., Deminov M.G., Karpachev A.T., Kochenova N.A., Kushnerevsky Yu.V., Migulin V.V., Fligel M.D., Pulinets S.A. Longitude features shown by topside sounder data and their importance in ionospheric mapping // Adv. Space Res. V. 10. № 8. P. 57–66. 1990. https://doi.org/10.1016/0273-1177(90)90186-4

  11. – Brahmanandam P.S., Chu Y.-H., Wu K.-H., Hsia H.-P., Su C.-L., Uma G. Vertical and longitudinal electron density structures of equatorial E- and F-regions // Ann. Geophysicae. V. 29. № 1. P. 81–89. 2011. https://doi.org/10.5194/angeo-29-81-2011

  12. – Challinor R.A., Eccles D. Longitudinal variations of the mid-latitude ionosphere produced by neutral air winds – I // J. Atmos. Terr. Phys. V. 33. № 3. P. 363–369. 1971. https://doi.org/10.1016/0021-9169(71)90141-3

  13. – Chaitanya P.P., Patra A.K., Balan N., Ra S.V. Ionospheric variations over Indian low latitudes close to the equator and comparison with IRI-2012 // Ann. Geophysicae. V. 33. № 8. P. 997–1006. 2015. https://doi.org/10.5194/angeo-33-997-2015

  14. – Eccles D., King J.W. A review of topside sounder studies of the equatorial ionosphere // Proc. IEEE. V. 57. № 6. 1012–1018. 1969. https://doi.org/10.1109/PROC.1969.7145

  15. – Ezquer R.G., Lopez J.L., Scida L.A., Cabrer, M.A., Zolesi B., Bianch C., Pezzopane M., Zuccheretti E., Mosert M. Behaviour of ionospheric magnitudes of F2 region over Tucuman during a deep solar minimum and comparison with the IRI 2012 model predictions // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. V. 107. P. 89–98. 2014. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.11.010

  16. – Fejer B.G., Jensen J.W., Su S.-Y. Quiet time equatorial F region vertical plasma drift model derived from ROCSAT-1 observations // J. Geophys. Res. V. 113. A05304. 2008. https://doi.org/10.1029/2007JA012801

  17. – Jackson J.E. The reduction of topside ionograms to electron-density profiles // Proc. IEEE. V. 57. № 6. P. 960–976. 1969. https://doi.org/10.1109/PROC.1969.7140

  18. – Hopkins H.D. Longitudinal variation of the equatorial anomaly // Planet. Space Sci. V. 20. № 12. P. 2093–2098. 1972. https://doi.org/10.1016/0032-0633(72)90065-7

  19. – Karpachev A.T. Equatorial anomaly according to the Interkosmos-19 data and IRI model: A comparison // Adv. Space Res. V. 67. № 10. P. 3202–3212. 2021. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.01.053

  20. – Klimenko V.V., Klimenko M.V., Karpachev A.T., Ratovsky K.G., Stepanov A.E. Spatial features of Weddell Sea and Yakutsk anomalies in foF2 diurnal variations during high solar activity periods: Interkosmos-19 satellite and ground-based ionosonde observations, IRI reproduction and GSM TIP model simulation // Adv. Space Res. V. 55. № 8. P. 2020–2032. 2015. https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.12.032

  21. – Klimenko V.V., Karpachev A.T., Klimenko M.V., Ratovskii K.G., Korenkova N.A. Latitudinal structure of the longitudinal effect in the nighttime ionosphere during the summer and winter solstice // Russ. J. Phys. Chem. B. V. 10. № 1. P. 91–99. 2016. https://doi.org/10.1134/S1990793116010073

  22. – Lei J., Thayer J.P., Forbes J.M. Longitudinal and geomagnetic activity modulation of the equatorial thermosphere anomaly // J. Geophys. Res. V. 115. A08311. 2010. https://doi.org/10.1029/2009JA015177

  23. – Li Q., Liu L., Balan N., Huang H., Zhang R., Chen Y., Le H. Longitudinal structure of the midlatitude ionosphere using COSMIC electron density profiles // J. Geophys. Res. V. 123. № 1. P. 8766–8777. 2018. https://doi.org/10.1029/2017JA024927

  24. – Lin C.H., Hsiao C.C., Liu J.Y., Liu C.H. Longitudinal structure of the equatorial ionosphere: Time evolution of the four-peaked EIA structure // J. Geophys. Res. V. 112. A12305. 2007. https://doi.org/10.1029/2007JA012455

  25. – Liu Z., Fang H., Weng L., Wang S., Niu J., Meng X. A comparison of ionosonde measured foF2 and IRI-2016 predictions over China //Adv. Space Res. V. 63. № 6. P. 1926–1936. 2019. https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.01.017

  26. – Lockwood G.E.K., Nelms G.L. Topside sounder observations of the equatorial anomaly in the 75° W longitude zone // J. Atmos. Terr. Phys. V. 26. № 5. P. 569–580. 1964. https://doi.org/10.1016/0021-9169(64)90188-6

  27. – Lyon A.J., Thomas L. The F2-region equatorial anomaly in the African, American and East Asian sectors during sunspot minimum // J. Atmos. Terr. Phys. V. 25. № 7. P. 373–386. 1963. https://doi.org/10.1016/0021-9169(63)90170-3

  28. – McNamara L.F., Retterer J.M., Baker C.R., Bishop G.J., Cooke D.L., Roth C. J., Welsh J.A. Longitudinal structure in the CHAMP electron densities and their implications for global ionospheric modeling // Radio Sci. V. 45. RS2001. 2010. https://doi.org/10.1029/2009RS004251

  29. – Oyekola O.S., Fagundes P.R. Equatorial F2-layer variations: comparison between F2 peak parameters at Ouagadougou with the IRI-2007 model // Earth Planets Space. V. 64. P. 553–566. 2012. https://doi.org/10.5047/eps.2011.07.017

  30. – Onohara A.N., Batista I.S., Batista P.P. Wavenumber-4 structures observed in the low-latitude ionosphere during low and high solar activity periods using FORMOSAT/COSMIC observations // Ann. Geophysicae. V. 36. № 2. P. 459–471. 2018. https://doi.org/10.5194/angeo-36-459-2018

  31. – Pancheva D., Mukhtarov P. Global response of the ionosphere to atmospheric tides forced from below: Recent progress based on satellite measurements global tidal response of the ionosphere // Space Sci. Rev. V. 168. № 1–4. P. 175–209. 2012. https://doi.org/10.1007/s11214-011-9837-1

  32. – Pedatella N.M., Forbes J.M., Maute A., Richmond A.D., Fang T.-W., Larson K.M., Millward G. Longitudinal variations in the F region ionosphere and the topside ionosphere-plasmasphere: Observations and model simulations // J. Geophys. Res. V. 116. A12309. 2011. https://doi.org/10.1029/2011JA016600

  33. – Ram T.S., Su S.-Y., Liu C.H. FORMOSAT-3/COSMIC observations of seasonal and longitudinal variations of equatorial ionization anomaly and its interhemispheric asymmetry during the solar minimum period // J. Geophys. Res. V. 114. A06311. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013880

  34. – Rao C.S.R., Malthotra P.L. A study of geomagnetic anomaly during I.G.Y. // J. Atmos. Terr. Phys. V. 26. № 11. P.1075–1085. 1964. https://doi.org/10.1016/0021-9169(64)90093-5

  35. – Rajaram G. Structure of the equatorial F-region, topside and bottomside – a review // J. Atmos. Terr. Phys. V. 39. № 9. P. 1125–1144. 1977. https://doi.org/10.1016/0021-9169(77)90021-6

  36. – Rastogi R.G., Chandra H., Sharma R.P. Rajaram G. Ground-based measurements of ionospheric phenomena associated with the equatorial electrojet // Indian J. Radio Space Phys. V. 1. № 2. P.119–135. 1972.

  37. – Rishbeth H. The equatorial F-layer: progress and puzzles // Ann. Geophysicae. V. 18. № 7. P. 730–739. 2000. https://doi.org/10.1007/s00585-000-0730-6

  38. – Sastri J.H. Equatorial anomaly in F-region – a review // Indian J. Radio Space Phys. V. 19. № 4. P. 225–240. 1990.

  39. – Sharma R.P., Hewens E.J. A study of the equatorial anomaly at American longitudes during sunspot minimum // J. Atmos. Terr. Phys. V. 38. № 5. P. 475–484. 1976. https://doi.org/10.1016/0021-9169(76)90004-0

  40. – Tsai L.-C., Liu C.H., Hsiao T.Y., Huang J.Y. A near real-time phenomenological model of ionospheric electron density based on GPS radio occultation data // Radio Sci. V. 44. RS5002, 2009. https://doi.org/10.1029/2009RS004154

  41. – Walker G.O. Longitudinal structure of the F-region equatorial anomaly – a review // J. Atmos. Terr. Phys. V. 43. № 8. P. 763–774. 1981. https://doi.org/10.1016/0021-9169(81)90052-0

  42. – Yue X., Schreiner W.S., Kuo Y.-H., Lei J. Ionosphere equatorial ionization anomaly observed by GPS radio occultations during 2006–2014 // J. Atmos. Terr. Phys. V. 129. № 7. P. 30–40. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.04.004

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал