Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 2, стр. 245-256

1. ВВЕДЕНИЕ

Для периодов геомагнитных бурь характерно нарушение условий распространения радиоволн, проявляющееся в изменениях их параметров, наблюдаемых в точке приема, или отсутствии прохождения [Goodman et al., 2006; Кузнецов, 2014]. Причина нарушений – ионосферные возмущения (ионосферные бури), возникающие при увеличении потока энергии, поступающей из межпланетного пространства в высокоширотную магнитосферу, а затем в другие области внешних геосфер, в том числе в ионосферу и термосферу [Prölss, 2006]. Пространственно-временны́е масштабы и интенсивность ионосферных возмущений увеличиваются с усилением геомагнитной активности, уровень которой зависит как от количества энергии, поступающей в систему термосфера–ионосфера–магнитосфера, так и от текущего состояния этой системы [Aruliah and Muller-Wodarg, 1999; Danilov and Laštovička, 2001]. Обзоры механизмов, которые могут вносить вклад в развитие положительных и отрицательных фаз ионосферных бурь, даны, например, в [Prölss, 1995; Buonsanto, 1999; Mendillo, 2006; Данилов, 2013].

В ионосфере возмущения проявляются в нарушении ее регулярной структуры и динамического режима, появлении дополнительных градиентов ионизации и образовании мелкомасштабных неоднородностей, генерации волновых возмущений различных масштабов, F-рассеяния и т.д. Все эти процессы существенным образом влияют на характеристики ионосферного радиоканала, вызывая значительные изменения максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), искажение траектории распространения КВ-радиоволн, появление дополнительных мод распространения, сокращение диапазона рабочих частот, рассеяние и ослабление радиосигналов вплоть до их полного исчезновения (black-out). Результаты исследования этих эффектов приведены в обзорных работах и в многочисленных оригинальных статьях, например, [Rogers et al., 2003; Uryadov et al., 2005; Благовещенский, 2011; Kurkin et al., 2006; Warrington et al., 2006; Zolotukhina et al., 2017, 2018; Uryadov et al., 2018; Урядов и др., 2021].

Сильные и экстремальные геомагнитные бури (см. классификацию в работе [Данилов, 2013]) характерны для максимумов солнечной активности и связаны, в основном, с межпланетными выбросами корональной массы (Interplanetary Coronal Mass Ejection, ICME). На спаде и в минимуме солнечной активности наиболее часто наблюдаются слабые и умеренные бури, связанные преимущественно с высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр (Coronal Hole High Speed Stream, CH HSS) и созданными ими вращающимися областями взаимодействия (Corotating Interaction Region, CIR) [Turner et al., 2009].

Нарушения условий распространения КВ-радиоволн в эпоху минимума солнечной активности вызывают особый интерес. Статистический анализ многолетних наблюдений показывает, что около 35% вариабельности ионосферных параметров обусловлены не магнитосферно-ионосферным взаимодействием, а инжекцией энергии в ионосферу снизу [Liu, 2016; Yigit et al., 2016]. Проведенный мониторинг условий распространения КВ-радиоволн в минимуме 23 цикла солнечной активности на сети радиотрасс северо-восточного региона России с 5-ти минутным временны́м разрешением показал, что даже в спокойных геомагнитных условиях регистрируются существенные вариации МНЧ [Kurkin et al., 2008]. На фоне низкой электронной концентрации эти вариации могут быть вызваны перемещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ) и внутренними гравитационными волнами [Fujiwara and Miyoshi, 2006; Tsugawa et al., 2004].

Как уже упоминалось, геомагнитные и ионосферные возмущения в минимуме солнечной активности преимущественно связаны с высокоскоростными потоками солнечного ветра, при этом они могут регистрироваться в течение длительного времени и обычно не сопровождаются значительным ростом Кр и уменьшением Dst-индексов. Влияние высокоскоростных потоков на параметры ионосферы и характеристики распространения радиоволн рассмотрено в [Sheiner et al., 2020]. Авторы показали, что отклик ионосферы на воздействие высокоскоростных потоков довольно сложен и неоднозначен.

Данная работа посвящена дальнейшему изучению особенностей распространения КВ радиоволн в минимуме 24 цикла солнечной активности на трассах северо-восточного региона России, характеризующегося максимальным превышением географической широты над геомагнитной. Рассмотрены три магнито-возмущенных периода, включающие слабые геомагнитные бури: 21–24 сентября 2018 г. (одна буря), 27 сентября–02 октября 2019 г. (три бури) и 24–30 сентября 2020 г. (множественные понижения Dst-индекса до значений <–30 нТл продолжительностью от 2 до 32 ч). В указанные периоды поток солнечного радиоизлучения F10.7 менялся от 66 до 73 sfu (в единицах 10^–22 Вт м^–2 Гц^–1). Выбор экспериментальных данных, относящихся к одному месяцу, позволил исключить влияние сезонных эффектов на ионосферные параметры.

Были проанализированы данные наклонного зондирования многофункционального ЛЧМ-ионозонда “Ионозонд-МС” [Подлесный и др., 2013], полученные на радиотрассах Норильск–Иркутск (протяженность l = 2030 км, географические координаты средней точки φ = 60.9° N, λ = 98° E, исправленная геомагнитная широта φ' = 57°) и Магадан–Иркутск (l = 3034 км, φ = 58.5° N, λ = = 125.8° Е, φ' = 53.7°), а также данные вертикального зондирования, полученные в Норильске (69.4° N, 88.1° E, φ' = 65.3°) и Иркутске (52.5° N, 104.0° E, φ' = 48.2°) с использованием дигизондов DPS-4. Северный участок первой трассы расположен в субавроральных широтах. Трасса Магадан–Иркутск относится к среднеширотным трассам, но во время сильных магнитных возмущений северный участок трассы, включая среднюю точку, может находиться в области главного ионосферного провала (ГИП) [Pirog et al., 2009; Полех и др., 2016]. Изменения критических частот F2 слоя (foF2) и максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) оценивались относительно их фоновых значений, полученных путем осреднения и последующего сглаживания по трем точкам указанных параметров, измеренных в течение двух магнитоспокойных дней, наиболее близких к началам рассматриваемых возмущений. Это 19 и 20 сентября 2018 г., 25 и 26 сентября 2019 г., 19 и 21 сентября 2020 г.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕЛИОСФЕРНЫХ И ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

На рисунке 1 в верхнем ряду на трех панелях показана динамика Dst- и Kp-индексов [URL nasa] во время анализируемых ионосферных возмущений. В рядах 2–4 приведены графики изменений параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (interplanetary magnetic field, IMF), которые демонстрируют сложную структуру межпланетных источников, воздействовавших на магнитосферу Земли во время рассматриваемых событий [URL NASA]. Для удобства сравнения графики в каждом ряду имеют общие левую и правую оси ординат.

Рис. 1.

В 1–4 рядах соответственно серые фигуры показывают вариации Kp-индекса, скорости солнечного ветра (Vsw), поступившей энергии и поля конвекции; черные линии – изменения Dst, плотности (Nsw) солнечного ветра, параметра Акасофу и BzIMF.

Для определения типов солнечного ветра, сформировавших межпланетные источники возмущений, мы воспользовались результатами их идентификации, размещенными на [URL catalog, URL solar и URL warehouse]. По данным трех сайтов, ионосферно-магнитосферные возмущения 27 сентября–02 октября 2019 г. и 24–30 сентября 2020 г. были вызваны высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр CH938 и CH973 соответственно и вращающимися областями взаимодействия. Последние образуются при взаимодействии CH HSS с медленным солнечным ветром и характеризуются повышенными значениями плотности ветра и модуля IMF [Echer et al., 2013].

Идентификация типов солнечного ветра для бури сентября 2018 г. не столь однозначна. Согласно [URL catalog], главная фаза и первые 7 ч восстановительной фазы этой бури были вызваны структурой типа Sheath. Так обозначают область сжатого солнечного ветра и IMF, образующуюся перед ICME [Takahashi and Shibata, 2017]. На [URL catalog] вместо ICME использован термин Ejecta. Последующие 40 ч восстановительной фазы развивались, в соответствии с [URL catalog], под комбинированным воздействием 4-х типов солнечного ветра: Sheath, Ejecta, CIR и Fast (CH HSS). Отметим, однако, что на двух других сайтах структуры Sheath и Ejecta идентифицированы как CIR и CH HSS соответственно. В пользу такой идентификации свидетельствует отсутствие в дни, предшествующие началу бури, геоэффективных выбросов корональной массы (см. сайты [URL solar; URL CME]). Основываясь на этом, мы полагаем, что главными драйверами всех рассматриваемых геомагнитных возмущений были CH HSS и/или CIR, что характерно для бурь, развивающихся на спаде солнечной активности [Echer et al., 2013].

Для количественной оценки потока энергии, поступавшей в магнитосферно-ионосферную систему в течение бурь, использован параметр Акасофу ε [Akasofu, 1981], динамика которого, а также вычисленной по нему поступавшей в систему суммарной энергии (W), приведены в третьем ряду панелей рис. 1. Величина ε определялась по параметрам солнечного ветра и IMF, размещенным на [URL NASA]. На панелях ряда 4 показаны, также, вариации напряженности поля магнитосферной конвекции (Ес), вычисленной с учетом динамического давления солнечного ветра (Psw) по формулам, приведенным в [Burke et al., 2007]. Более подробно динамика рассматриваемых взаимосвязанных магнитосферно-ионосферных возмущений будет представлена в следующем разделе.

3. АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ДАННЫХ

3.1. Как следует из рис. 1 (левые панели), слабая магнитная буря 21‒24 сентября 2018 г. (максимум Kр = 5– в 00:00–03:00 UT и минимум Dst = = –48 нТл в 03:00–04:00 UT 22 сентября) началась после 15:00 UT 21 сентября [URL NASA]. Она имела четко выраженные 6-часовую начальную фазу с максимумами Dst-индекса 18 нТл в 17:00–18:00 и 21:00–22:00 UT 21 сентября, 6-часовую главную фазу и длившуюся около 2 суток фазу восстановления, во время которой наблюдались множественные усиления поля кольцевого тока. Начало главной фазы совпало по времени с переходом вертикальной компоненты IMF (BzIMF) от BzIMF > 0 к BzIMF < 0, усилением азимутальной компоненты IMF (ВуIMF, на рисунке не показана) и поля конвекции, а также с увеличением параметра Акасофу.

На рис. 2 данные вертикального и наклонного зондирования, полученные во время этой бури в Норильске, Иркутске и на трассе Норильск–Иркутск, сопоставлены с изменениями SYM-H- индекса [URL Kyoto], давления солнечного ветра и исправленной геомагнитной широты дна ГИП, рассчитанной по модели [Деминов и Шубин, 2018] для меридиана 90° E. Горизонтальные штриховые линии показывают исправленные геомагнитные широты Норильска и средней точки трассы Норильск–Иркутск. На рис. 2в–2д, 4б–4г и 5б–5г черные/серые линии соответствуют текущим/фоновым значениям МНЧ1F2 – максимальных наблюдаемых частот односкачкового мода (1F2) и foF2. Кружками показаны значения МНЧ2Es – максимальных наблюдаемых частот двухскачкового мода (2Es) и предельных частот спорадического слоя (foEs).

Рис. 2.

Вариации SYM-H -индекса (а); Psw (б); foF2 и foЕs в Норильске (в); МНЧ1F2 и МНЧ2Es на трассе Норильск–Иркутск (г); foF2 в Иркутске (д) и широты дна ГИП (е).

Видно, что в магнитоспокойный день 20 сентября (∑Kр < 2) текущие значения всех ионосферных параметров близки к фоновым. В 02:00–10:00 UT 21 сентября foF2 в Норильске и МНЧ1F2 на трассе Норильск–Иркутск были на ~10% и ~15% соответственно выше фоновых значений. Возможно, что это слабое повышение является проявлением эффекта предбуревого увеличения электронной концентрации [Благовещенский, 2011; Danilov and Konstantinova, 2019].

По данным вертикального зондирования в начальную фазу бури во время первого увеличения Psw (15:15–18:40 UT, максимум ~3.5 нПа) в Норильске появились диффузные отражения от F2 слоя с критическими частотами, превышающими фоновые значения на 0.5–1.0 МГц и спорадические слои с foЕs, близкими к наблюдаемым foF2. Около 20:00 UT во время следующего увеличения Psw появились экранирующие спорадические слои, foЕs которых достигла ~8.5 МГц во время максимума Psw (~8.5 нПа в 23:20 UT), а затем резко упала до ~4 МГц одновременно с падением давления до 2.1 нПа в 00:00 UT 22 сентября. Значения МНЧ на трассе Норильск–Иркутск и foF2 в Иркутске, полученные во время указанных повышений Psw, были по-прежнему близки к фоновым.

Отражения от спорадических слоев появлялись на ионограммах Норильска до конца 24 сентября. При этом ночью при повышениях Psw они были экранирующими с foЕs, значительно превышающими фоновые значения foF2. Появление экранирующих спорадических слоев и увеличение их предельных частот при повышении Psw указывают на то, что в ночные часы 21–24 сентября станция Норильск находилась в зоне диффузных высыпаний. Ночью 21 сентября (в начальную фазу и первые часы главной фазы) граница диффузных высыпаний располагалась севернее средней точки трассы Норильск–Иркутск. Поэтому значительных различий между фоновыми и текущими значениями МНЧ1F2, а также foF2 в Иркутске в это время не было.

Заметные изменения условий распространения радиоволн начались около 02:30 UT 22 сентября, через ~4.5 ч после начала главной фазы. К этому времени в магнитосферно-ионосферно-термосферную систему из межпланетного пространства с начала геомагнитной бури поступило ~1.13 × 10⁷ ГДж энергии (рис. 1, ряд 3, левая панель). На трассе Норильск–Иркутск МНЧ1F2 снизились на ~2.5 МГц (на ~15%) относительно фона, и в течение дневных часов они оставались пониженными на 15–20%. В это время в Норильске наблюдалось отрицательное ионосферное возмущение, во время которого foF2 снизилась до ~4 МГц. На стилизованных ионограммах наклонного зондирования, очищенных от шумовых помех, наблюдались искажения треков, обусловленные прохождением ПИВов (рис. 3а, 3б). Рис. 3в иллюстрирует изменения амплитуды колебаний, выделенных с помощью полосового фильтра Марме [Marmet, 1979] из исходных данных. Видно, что даже в спокойных геомагнитных условиях 20 сентября в вариациях всех приведенных параметров присутствуют колебания. Возможной причиной появления колебаний МНЧ могут быть акустико-гравитационные волны [Yigit et al., 2016]. Амплитуда колебаний возросла в вариациях BzIMF и ByIMF в начальную фазу бури, в вариациях МНЧ – в ее главную фазу.

Рис. 3.

Ионограммы наклонного зондирования, полученные на трассе Норильск–Иркутск в спокойных (а) и возмущенных (б) условиях; вариации амплитуды колебаний Vsw (Asw), ByIMF (ABy), BzIMF (ABz) и МНЧ1F2 (Амнч) на этой трассе в течение магнитных возмущений 20–24 сентября 2018 г. (в).

В вечерние часы 22 сентября в Норильске низкие значения foF2 сменились после 11:30 UT экранирующими спорадическими слоями, которые регистрировались до 05:15 UT 23 сентября. На трассе Норильск–Иркутск в 13:08–15:35 UT наблюдалось превышение текущих значений МНЧ1F2 над фоновыми на 25–35%. Превышение критических частот было зарегистрировано над Иркутском в течение более длительного времени (с 09:45 до 16:25 UT). На трассе Норильск–Иркутск с 17:35 UT 22 сентября до 00:50 UT 23 сентября прохождение радиосигналов отсутствовало. Можно предположить, что в этом интервале северный участок трассы, включая среднюю точку, находился в области ГИП. Такое смещение ГИП может быть объяснено длительным существованием усиленной магнитосферной конвекции (Ec = 0.13–0.37 мВ/м до 05:00 UT 24 сентября) и медленным восстановлением структуры магнитосферы после геомагнитных возмущений [Кринберг и Тащилин, 1984]. Расчеты, приведенные на рис. 2е, подтверждают предположение о том, что после 18:00 UT 22 сентября ГИП мог сместиться на меридиане 90° E до φ' = 57°.

Наибольший спад foF2 и МНЧ1F2 (~30–35%) наблюдался в дневные часы 23 сентября. Такое уменьшение всех параметров вызвано развитием длительного отрицательного ионосферного возмущения, связанного с изменением состава термосферы [URL guvi]. Оно обусловлено тем, что к началу 23 сентября количество поступившей во внешние геосферы энергии возросло до ~3.6 × × 10⁷ ГДж.

В последующие сутки 24 сентября в утренние и дневные часы значения МНЧ1F2 и foF2 в Иркутске были на ~10–15% меньше фоновых, а критические частоты в Норильске близки к ним. В это время на трассе Норильск–Иркутск прохождение радиосигналов осуществлялось односкачковым модом. После 17:05 UT наблюдалось распространение двумя модами (1F2 и 2Es), при этом МНЧ2Es значительно превышала МНЧ1F2.

3.2. Магнитовозмущенный период 27 сентября–02 октября 2019 г. содержит три понижения Dst индекса до уровня ниже –30 нТл. На графике, представленном на средней панели в 1-м ряду рис. 1, видны понижения Dst до –49 нТл в 23:00–24:00 UT 27 сентября, –33 нТл в 02:00–04:00 UT 30 сентября и –38 нТл в 07:00–08:00 UT 1 октября. Согласно приведенной в [Gonzalez et al., 1994] классификации, эти понижения могут быть идентифицированы как слабые магнитные бури. Для краткости изложения будем называть возмущения с минимумами Dst, наблюдавшимися 27, 30 сентября и 1 октября первой, второй и третьей бурей. В указанные дни Kp-индекс повышался соответственно до 5+, 4– и 4.

Первая магнитная буря имеет, аналогично рассмотренной выше буре сентября 2018 г., ярко выраженные начальную и главную фазы. Буря началась с резкого роста Dst- индекса от 6 до 18 нТл в интервале 05:00–06:00 UT и затем до 25 нТл в 10:00–11:00 UT 27 сентября. После этого Dst-индекс почти монотонно уменьшался в течение 13 часов до минимального значения. Этой буре соответствовал длительный (~24 ч) период с BzIMF < 0 за исключением кратковременных интервалов, когда она была положительной.

На рис. 4 приведены вариации МНЧ1F2 и МНЧ2Es, зарегистрированных на трассах Магадан–Иркутск и Норильск–Иркутск. Перед бурей и в ее начальную фазу в дневные часы 27 сентября на обеих трассах регистрировался слабый рост МНЧ на 10–12%. После 14:00 UT 27 сентября отраженные сигналы на ионограммах обеих трасс исчезли почти одновременно. Расчеты положения дна главного ионосферного провала, выполненные по модели [Деминов и Шубин, 2018] на меридианах 90/135°E (сплошная/штриховая линия) показали, что в это время значительные участки обеих радиотрасс, включая их средние точки (горизонтальные штриховые линии отмечают широты средних точек трасс Норильск–Иркутск и Магадан–Иркутск), могли находиться в области ГИП (рис. 4д).

Рис. 4.

Вариации: SYM-H-индекса (а); МНЧ1F2 и МНЧ2Es на трассах Норильск–Иркутск (б) и Магадан–Иркутск (в); foF2 в Иркутске (г); широты дна ГИП (д).

Поле конвекции было усиленным (Ec = 0.2–0.4 мВ/м) до 11:00 UT 28 сентября, что способствовало формированию ГИП на средних участках трасс в ночные часы. Поэтому в интервалах 14:30–20:15 UT на трассе Магадан–Иркутск и 12:30–23:00 UT на трассе Норильск–Иркутск 28 сентября прохождения радиосигналов, как и 27 сентября, не было.

Отличительной особенностью отклика ионосферы на бурю 27–28 сентября 2019 г. являются крупномасштабные колебания МНЧ1F2, которые появились практически одновременно на обеих трассах после 02:00 UT в дневные часы 28 сентября (восстановительная фаза 1-й бури). К началу этого дня из межпланетной среды во внешние геосферы поступило с момента начала бури ~3.1 × 10⁷ ГДж энергии, часть которой была потрачена на изменение состава атмосферы, вызвавшего отрицательное дневное ионосферное возмущение. Основная часть энергии ~2.5 × 10⁷ ГДж была внесена в течение 11 часов главной фазы (в 13:00–24:00 UT 27 сентября) при максимальных для данного события значениях Ec = 0.32–0.56 мВ/м. Следует отметить, что подобные колебания регистрировались также на следующий день 29 сентября в дневные часы на фоне крупномасштабного положительного возмущения.

Вторая геомагнитная буря началась на возмущенном геомагнитном фоне (Dst = –13 нТл, Kp = = 4– после 16:00 UT 29 сентября с незначительного роста Dst на 3 нТл. В течение главной фазы Dst-индекс трижды резко уменьшался за час на 7, 9 и 3 нТл и достиг через 10 ч минимального значения Dst = –33 нТл.

На трассе Магадан–Иркутск 30 сентября значения МНЧ1F2 были на 20–25% ниже фоновых, в то время как на трассе Норильск–Иркутск почти не отличались от них, за исключением ночных часов, когда распространение радиосигналов в основном отсутствовало. К началу суток 30 сентября сумма поступившей во внешние геосферы энергии выросла до 4.8 × 10⁷ ГДж, из которых только 0.5 × 10⁷ ГДж поступили в течение главной фазы второй бури. Во время главной и восстановительной фаз поле магнитосферной конвекции менялось в пределах 0.12–0.31 мВ/м со средним значением Ec, равным 0.23 мВ/м.

Третья слабая буря началась после 00:00 UT 1 октября. Подобно второй буре, она развивалась на возмущенном фоне при Dst = –13 нТл и Kр = = 4–. В главную фазу суммарная энергия, поступившая во внешние геосферы, увеличилась на 0.5 × 10⁷ ГДж, а поле магнитосферной конвекции усилилось до ~0.3 мВ/м. Во время бури наблюдалось уменьшение МНЧ односкачкового мода на обеих трассах в дневные часы и появление экранирующих спорадических слоев ночью, в результате чего распространение радиосигналов осуществлялось только модом 2Es, максимальные наблюдаемые частоты которого заметно превышали фоновые значения МНЧ1F2. Судя по картам полного электронного содержания (URL nasa), можно предположить, что средние точки обеих трасс могли находиться в области ГИП, хотя приведенные модельные расчеты не подтверждают это. Расхождение можно объяснить тем, что ко времени начала третьей бури ионосфера над исследуемым регионом находилась в возмущенном состоянии. Состав термосферы и границы ГИП не были окончательно восстановлены, что объясняет отсутствие регулярных отражений от F2 слоя и появление высоких значений МНЧ2Es.

К началу суток 2 октября значения МНЧ1F2 на трассе Магадан–Иркутск и дневные foF2 в Иркутске практически восстановились. С 05:40 до 11:55 UT в позднюю восстановительную фазу третей бури на трассе Магадан–Иркутск одновременно с модом 1F2 регистрировались отражения от спорадического слоя. На трассе Норильск–Иркутск ночью наблюдалось распространение КВ радиосигнала только модом 2Es. Отметим, что в Иркутске в ночные часы в течение всего возмущенного интервала 27 сентября–2 октября 2019 г. foF2 были ниже фоновых на ~18–20%.

3.3. Сравнивая приведенные на рис. 1 графики, видим, что возмущенный период 24–30 сентября 2020 г. характеризуется более сложными вариациями межпланетного магнитного поля и геомагнитных индексов, чем сентябрьские бури 2018 и 2019 гг., длительным воздействием высокоскоростного потока солнечного ветра, а также медленным и плавным вводом энергии из межпланетной среды во внешние геосферы. Для этого события характерны многократные понижения Dst индекса до значений, меньших –30 нТл, но больших –50 нТл. Формально, каждое из этих понижений может быть рассмотрено как слабая геомагнитная буря [Gonzalez et al., 1994]. Однако все они связаны с одним внешним источником – высокоскоростным потоком солнечного ветра из корональной дыры CH973 [URL solar], имеющим очень неоднородную структуру. Этот факт ставит под сомнение целесообразность разбиения наблюдавшегося 24–30 сентября 2020 г. продолжительного возмущения на отдельные геомагнитные бури.

Детальное сопоставление графиков, приведенных на правых панелях рис. 1, показывает, что все значительные понижения Dst и повышения Kp индексов совпадают по времени с усилениями Ес, способствующими поддержанию магнитосферно-ионосферной системы в возмущенном состоянии.

На рис. 5б, 5в приведены вариации МНЧ1F2 и МНЧ2Es, зарегистрированные на трассах Норильск–Иркутск и Магадан–Иркутск во время этого продолжительного возмущения. Кратковременное усиление направленной к югу BzIMF до –8.3 нТл в ~07:30 UT 24 сентября (рис. 1, ряд 4, правая панель) вызвало резкие увеличения Ec и Kр до самых высоких из рассматриваемых случаев величин 0.46 мВ/м и 6– соответственно, а также относительно неглубокое понижение Dst до –40 нТл. Несмотря на то, что данное возмущение было непродолжительным, на трассе Магадан–Иркутск в вечерние часы 24 сентября наряду с основными модами появились отражения от спорадических слоев. При этом величины МНЧ1F2 уменьшились на 3–4 МГц, а МНЧ2Es были высокими.

Рис. 5.

То же, что на рис. 4, для 24–30 сентября 2020 г.

Последующие изменения геомагнитной активности, проявившиеся в вариациях Kр- и Dst-индексов, не способствовали устойчивому приему сигналов на обеих трассах. На трассе Норильск–Иркутск принимались слабые сигналы, что может быть объяснено усилившимся поглощением. Это подтверждается данными риометра, установленного на выносном пункте “Исток” вблизи Норильска. Прохождение односкачкового мода эпизодически наблюдалось 25 сентября в 01:50–10:00 UT и в отдельные часы вечером, а на трассе Магадан–Иркутск в послеполуденные часы (05:10–10:10 UT) и кратковременно в 13:40–14:30 UT. Ночью в течение длительного времени прохождение радиосигналов на обеих трассах отсутствовало.

Следующее увеличение направленной к югу компоненты IMF, начавшееся после 18:00 UT 25 сентября (экстремальное значение BzIMF = = ‒6.1 нТл в 22:30 UT) вновь привело к усилению поля магнитосферной конвекции до 0.38 мВ/м, росту Kp до 5– и бухтообразному понижению Dst до –50 нТл. В утренние и дневные часы 26 сентября на обеих трассах регистрировались пониженные на 25‒30% значения МНЧ1F2. В ночь этого дня на трассе Норильск–Иркутск прохождения радиосигналов не было, а на трассе Магадан–Иркутск текущие значения МНЧ1F2 были в 2 раза меньше фоновых.

В последующие дни динамика МНЧ1F2 на исследуемых трассах подобна наблюдавшейся 26 сентября. На трассе Норильск–Иркутск эпизодически регистрировались МНЧ1F2, пониженные утром и близкие к фоновым после полудня. Исключением являются дневные часы 29 сентября, когда величины МНЧ односкачкового мода были на 1.5–2.0 МГц ниже фоновых. На графиках МНЧ1F2, построенных по данным трассы Магадан–Иркутск, видно, что они близки к фоновым только в 23:00–24:00 UT 26 сентября и около 10:00 UT 27 сентября. Большую часть суток МНЧ1F2 или значительно ниже фоновых, или не регистрируются из-за отсутствия прохождения сигнала, что происходит преимущественно в 18:00–23:00 UT. Для средней точки трассы это соответствует сектору 02:30–07:30 LT, в центре которого расположена область наименьшей широты дна ГИП, наблюдаемого при фиксированных значениях Kp/ap-индекса [Деминов и Шубин, 2018]. Можно полагать, что в это время участок трассы, прилегающий к средней точке, был расположен в области ГИП. Согласно модельным расчетам, показанным на рис. 5д, в ночные и ранние утренние часы средняя точка трассы Норильск–Иркутск находилась вблизи дна ГИП с 25 по 30, а трассы Магадан–Иркутск – в ранние утренние часы 27–28 сентября.

Вариации критической частоты в Иркутске (рис. 5г) показывают ее увеличение в послеполуденные часы относительно фоновых значений и значительное (от 30 до 46%) уменьшение ночью на протяжении всего возмущенного периода. Это существенно отличает событие сентября 2020 г. от рассмотренных ранее ионосферных бурь в сентябре 2018 и 2019 гг., во время которых foF2 в Иркутске уменьшались не более, чем на 25%.

Следующее заметное отличие заключается в том, что во время возмущений 24–30 сентября 2020 г. отрицательное возмущение в МНЧ1F2 наблюдалось на трассе Магадан–Иркутск в течение почти полных суток. Исключением являются слабые кратковременные положительные возмущения, зарегистрированные на этой трассе в 07:00–08:00 UT 27 и в 08:30–09:30 UT 28 сентября, в то время как по данным вертикального зондирования в Иркутске повышенные относительно фона послеполуденные значения foF2 наблюдались во все рассмотренные дни.

Мы полагаем, что указанные отличия обусловлены тем, что воздействие CIR и высокоскоростного потока из CH973 на магнитосферу Земли началось 23 сентября – за день до рассмотренного нами интервала [URL catalog; URL solar]. На правых панелях рис. 1 видно, что приход CIR и CH HSS проявился в увеличении плотности и скорости солнечного ветра, повороте к югу BzIMF, росте параметра Акасофу и усилении поля конвекции. Это вызвало понижение Dst-индекса до ‒24 нТл, увеличение Kp до 4– и, по предварительным данным, AE-индекса до 1200 нТл [URL kyoto]. Усиление авроральной активности привело к разогреву высокоширотной ионосферы и изменению ее состава, отчетливо видному на картах GUVI за 23 сентября [URL guvi].

4. ВЫВОДЫ

Проведенный анализ вариаций максимальных наблюдаемых частот в эпоху минимума солнечной активности на трассах Норильск–Иркутск и Магадан–Иркутск, проходящих через субавроральные широты и вблизи них, а также критических частот в приемо-передающих пунктах позволил сделать следующие выводы.

1. Длительное воздействие на магнитосферно-ионосферно-термосферную систему высокоскоростных потоков солнечного ветра из корональных дыр приводит к значительным нарушениям условий распространения КВ-радиоволн на этих трассах даже в минимуме солнечной активности. Во время слабых геомагнитных бурь, вызванных CIR и CH HSS, в дневные часы понижения максимальных наблюдаемых частот односкачкового мода могут достигать 25–35%, в вечерние и ночные часы – 40‒50%. В отдельных случаях прохождение сигналов отсутствует в течение длительного времени.

2. На меридиональной трассе Норильск–Иркутск реализуются более сложные условия прохождения радиоволн, чем на широтной трассе Магадан–Иркутск, т.к. во время возмущений значительный участок первой трассы охватывает область главного ионосферного провала и зону диффузных высыпаний. В результате основным модом распространения КВ-радиоволн является 2Es. Максимальная наблюдаемая частота этого мода значительно превышает МНЧ основного мода 1F2.

3. Предложенная в работе [Деминов и Шубин, 2018] модель положения дна главного ионосферного провала хорошо согласуется с экспериментальными данными и может быть использована для оценки условий распространения радиоволн во время слабых и умеренных магнитных бурь.