Зимняя аномалия поглощения радиоволн и магнитное поле Земли
2.04.2004 20:47 | Phys.Web.Ru

Аннотация

В последние годы в связи с созданием экспериментальной базы из многолетних рядов наблюдений различных параметров атмосферы появилась возможность изучать климатологию верхней атмосферы, включающей в себя среднюю атмосферу и прилегающую к ней нижнюю ионосферу - область высот от 10 км до 120 км. Наибольший интерес для климатологии представляют регулярные, длительно сохраняющиеся колебания атмосферных характеристик. Совокупность этих устойчивых вариаций и составляет, на наш взгляд, содержание климата. Долговременная изменчивость атмосферных параметров в значительной степени определяется уровнем солнечной активности (11-летним циклом, солнечными протонными вспышками и связанными с ними солнечными протонными событиями - высыпанием протонов на границе магнитосферы) и возмущенностью магнитного поля Земли.

Нами исследовалась изменчивость минимальной частоты отражения f_min , как качественной характеристики поглощения радиоволн в ионосфере, по наблюдениям в Иркутске при переходе от 21-ого цикла солнечной активности (1969-1979 гг.) к 22-ому (1980-1991 гг.). Получен интересный и весьма неожиданный результат: всем известная так называемая "зимняя аномалия" поглощения, отчетливо выраженная во все зимы 21-ого цикла солнечной активности, практически отсутствует в зимние периоды следующего за ним 22-ого цикла. Поглощение резко снизилось после зимы 1979/1980 гг. Возможное объяснение этому, на наш взгляд, дает изменение состояния уровня геомагнитной активности. Как оказалось, в 21-ом цикле число дней с аномально высоким поглощением хорошо коррелирует с числом магнитовозмущенных дней, корреляция заметно уменьшилась в 22-ом цикле. Рассмотрена также роль солнечных протонных событий и магнитных бурь в изменчивости минимальной частоты отражения радиоволн от ионосферы, зависимость f_min от температуры на поверхности Земли и температуры в стратосфере на уровне 30 гПа.

Введение

Минимальная частота отражения f_min может служить одной из климатологических характеристик верхней атмосферы при анализе ее климатических особенностей [1]. Известно также, что f_min может использоваться при оценке так называемого "неотклоняющегося" поглощения радиоволн в ионосфере. Поглощение связано с минимальной частотой отражения соотношением А =  lg  = K(f_min + f_L)² , где K - коэффициент пропорциональности, f_L - продольная компонента гирочастоты [2].

В данной работе f_min использовалась как качественная характеристика поглощения для изучения особенностей проявления так называемой "зимней аномалии" поглощения радиоволн в ионосфере над Иркутском. Природа зимней аномалии поглощения до сих пор не имеет достаточно четкого объяснения. Оказалось, что месячное среднее дневное поглощение (А) зимой не отвечает теоретическому выражению зависимости от солнечного зенитного угла , которое имеет вид: . Многие исследования подтвердили, что такое увеличение поглощения ("зимняя аномалия") в основном характерно для поздней осени, зимы и ранней весны. Отмечено, что в некоторые группы дней зимой наблюдается увеличение поглощения и это сопровождается отражениями ниже 100 км, что указывает на увеличение плотности электронов до высоты 90 км и ниже. Было предложено две гипотезы происхождения зимней аномалии: метеорологической и геомагнитной природы. Впервые связь между стратосферными и ионосферными изменениями была установлена Боссоласко и Елена [3], которые обнаружили хорошее согласие между изменениями температуры на уровне 10 гПа и изменениями поглощения над Центральной Европой. В [4] метеорологическая природа зимней аномалии расшифровывается как следствие процессов переноса, как следствие особенностей циркуляционных систем, включающих в себя и стратосферу, и нижнюю ионосферу. Обстоятельный обзор работ, в которых обсуждалась природа зимней аномалии поглощения, был в свое время представлен А.Д.Даниловым и С.Ю.Ледомской в [5]. Авторы [6] пришли к заключению, что зимняя аномалия определяется больше метеорологическим, а не геомагнитным фактором. Однако еще в 1969 г. на заседании Межсоюзной комиссии по солнечно-земной физике Е.Р.Мустель (Россия) и В.Дж.Г.Бейнон (Великобритания) прочитали лекции о взаимозависимости геомагнитных и метеорологических параметров [7]. Видимо, существует несколько источников возрастания поглощения радиоволн в ионосфере в зимнее время. Проведенные нами исследования поведения поглощения радиоволн в нижней ионосфере над Иркутском [8-14] позволяет предположить, что оно определяется не только состоянием нейтральных нижележащих слоев атмосферы и уровнем солнечной и геомагнитной активности, но также является следствием изменений происходящих в динамическом режиме нижней термосферы, связанных с проникновением на высоты ионосферы волн планетарного масштаба.

В данной работе использовались ежесуточные значения минимальной частоты отражения радиоволн от ионосферы f_min, как качественной характеристики поглощения, полученные методом вертикального зондирования в Иркутске с 1968 г. по 1991 г. Для анализа гелиогеомагнитной обстановки были взяты ежесуточные значения индекса радиоизлучения Солнца на волне 10.7 см F_10.7, чисел Вольфа W и планетарного индекса геомагнитной активности А_р за этот же период. Метеорологическая обстановка оценивалась температурой Т₃₀ в стратосфере на уровне 30 гПа - данные аэрологического зондирования в Иркутске с 1968 по 1986 гг. и температурой на поверхности Земли - среднемесячные глобальные данные, рассчитанные по измерениям спутника GEOS для периода 1980-1991 гг. Предварительно для выбранного интервала измерений 1968-1991 гг. рассчитывались две величины: среднее за сутки значение f_{min ср} и величина df_min как разность между средним за сутки и суточной медианой, т.е. df_min = f_{min ср} - f_{min med}. Последняя величина представляет собой характеристику асимметрии [15] и рассчитывалась для минимизации аппаратурных погрешностей измерения минимальной частоты отражения радиоволн от ионосферы, в то же время она сохраняет в себе основные закономерности изменения f_min как качественной характеристики поглощения.

Анализ экспериментальных данных

На рис.1 представлено общее распределение df_min для всего массива данных (без учета сезонных особенностей значений минимальной частоты отражения) в зависимости от индекса радиоизлучения Солнца F_10.7, чисел Вольфа W и планетарного индекса геомагнитной активности А_р. Справа представлена распределительная шкала. Области с значениями df_min >  0,2 мГц, как видно, занимают сравнительно малые площади, расположенные, в основном, вблизи максимумов солнечной активности (рис.1,а, б), либо вблизи тех лет, для которых характерны как незначительные возмущения магнитного поля Земли - слабые магнитные бури с 20 < А_р < 50, так и наиболее сильные магнитные бури с А_р > 100 (рис.1,в).

Рис.1. Карты распределения dfmin для интервала измерений 1968-1991 гг. в зависимости от индекса радиоизлучения Солнца F10.7, чисел Вольфа W и планетарного индекса геомагнитной активности Ар. Справа представлена распределительная шкала.

Из этого массива данных были выделены летние и зимние значения и построены соответствующие распределения отдельно для 11-летнего периода 1968-1979 гг., относящегося к 21-ому циклу солнечной активности, и следующего за ним периода 1980-1991 гг., относящегося к 22-ому циклу (рис.2). Как видно из рис.2, "зимняя аномалия" поглощения радиоволн отчетливо проявляется в 21-ом цикле солнечной активности: области с значениями df_min > 0,2 мГц занимают практически всю площадь на картах распределения df_min в зависимости от планетарного индекса геомагнитной активности А_р для зимнего времени года (за исключением 3-х небольших областей с значениями df_min < 0,2 мГц. Следует заметить, что в эти зимы, относящиеся к 21-ому циклу солнечной активности, не наблюдалось сильных магнитных бурь с А_р > 100. На летних распределениях, наоборот, области с высокими значениями df_min (> 0,2 мГц) почти отсутствуют: отмечена лишь одна такая область для значений А_р выше 120 в начале 21-ого цикла (1968-1970 гг.) - видимо, как реакция на сильную магнитную бурю 17 августа 1970 г. (А_р = 137). Картина распределения df_min в зависимости от индекса А_р для зим, относящихся к 22-ому циклу солнечной активности, неожиданно для нас коренным образом изменилась (рис.2). Как оказалось, она мало чем отличается от летнего распределения и "зимняя аномалия" поглощения по существу отсутствует в этот 22-ой цикл. Наблюдаемая вблизи значений А_р > 180 область высоких значений df_min очевидно связана с реакцией поглощения на сильную магнитную бурю

Рис. 2. Карты распределения dfmin в зависимости от планетарного индекса геомагнитной активности Ар для лета и зимы 21-ого и 22-ого циклов солнечной активности.

8 февраля 1986 г., когда А_р = 202. Стоит отметить, что даже чрезвычайно сильные магнитные бури не всегда сопровождались усилением поглощения в ионосфере: так, например, во время геомагнитной бури 5 февраля 1983 г. (А_р = 143) на распределительных картах отсутствуют области с повышенными значениями df_min. Если из массива зимних значений df_min исключить данные во время этих сильных бурь, то мы получим для зим, относящихся к 22-ому циклу солнечной активности, распределение df_min в зависимости от планетарного индекса геомагнитной активности А_р прямо противоположное (рис.2, внизу справа) соответствующему распределению в 21-ом цикле (рис.2, вверху справа).

На рис.3,а представлены временные вариации средних за сезон значений df_min в Иркутске, рассматриваемых индексов гелиогеомагнитной активности и температуры в стратосфере над Иркутском на уровне 30 гПа. В вариациях df_min отчетливо прослеживается годовая волна с максимальными амплитудами зимой и минимальными - летом. Амплитуды годовой волны df_min в 21-ом цикле солнечной активности выше, чем в 22-ом, причем до зимы 1977/1978 гг. они довольно ровные и колеблются возле среднего уровня 0.10 мГц (жирные горизонтальные линии). Далее в течение 3-х лет отмечается значительное возрастание и зимних, и летних амплитуд, средний уровень для этих лет значительно повысился до 0,23, а затем в 22-ом цикле солнечной активности резко опустился до значения 0.05, при этом оказалось, что в отдельные годы амплитуда зимних значений была ниже этого среднего уровня. В конце рассматриваемого периода средний уровень амплитуды повысился до 0.11 мГц. Подобные этим годовые вариации испытывает и температура в стратосфере на уровне 30 гПа, но только с максимальными температурами летом и минимальными зимой. Периодограмманализ показал наличие четко выраженной значимой годовой волны в вариациях сезонных значений df_min как в 21-ом, так и в 22-м (только с меньшей амплитудой) цикле солнечной активности. Годовая волна в 21-ом цикле присутствует также и в вариациях планетарного индекса геомагнитной активности, в 22-ом цикле она отсутствует. Нет годовых вариаций в индексе радиоизлучения Солнца F_10.7 и числах Вольфа W (рис. 3,б).

Корреляционный анализ показал наличие значимой отрицательной корреляции между сезонными значениями df_min и температуры в стратосфере на уровне 30 гПа как в 21-ом цикле солнечной активности, так и в 22-ом, а также для всего интервала измерений в целом. При этом отмечается периодический характер корреляционной функции, сохраняющийся для всех интервалов измерений. Отличаются только значения коэффициентов корреляции: в 22-ом цикле они выше при сдвиге по фазе в 1 сезон. Интересно заметить, что отрицательная корреляция (без сдвига по фазе) характерна также для связи между сезонными значениями df_min и глобально усредненными (по измерениям на спутнике GEOS) значениями температуры на поверхности Земли с четко выраженным периодическим (с периодом 4 сезона, как и для связи с Т₃₀) характером изменения корреляционной функции.

а)	б)
Рис.3. Временные вариации средних за сезон значений F10.7, W, Ар, Т30 и dfmin (а) и соответствующие им периодограммы (б).

По всей вероятности, отмеченное нами уменьшение поглощения зимой в 22-ом цикле солнечной активности не связано с метеорологическим аспектом, а скорее всего вызвано изменением гелио-геомагнитной обстановки. На рис.4 сплошными линиями со светлыми кружочками представлены временные вариации значений индекса радиоизлучения Солнца F_10.7, чисел Вольфа W, планетарного индекса геомагнитной активности А_р и df_min, усредненных за летние месяцы (а) и за зимние (б). Толстыми прямыми линиями показаны усредненные за 5 лет значения в области максимума и минимума солнечной активности. Как следует из рис.4,а, для летнего периода максимумам и минимумам в характеристиках солнечной активности для всего рассматриваемого периода измерений соответствуют максимумы и минимумы df_min. При этом в период с 1968 г. по 1987 г. отчетливо заметна тенденция к понижению как максимальных, так и минимальных средних уровней df_min, в то время как для индексов солнечной активности характерна обратная тенденция к возрастанию максимальных и минимальных средних уровней. Что касается планетарного индекса геомагнитной активности, начиная с 1968 г. индекс A_р нарастает ступенями до первого максимального уровня средних за сезон значений в 1978-1982 гг., и далее, как и для всех df_min и температуры Т на 30 других рассматриваемых характеристик, идет понижение среднего пятилетнего уровня и опять повышение. Для зимнего периода (рис.4,б) ситуация для планетарного индекса геомагнитной активности А_р несколько изменилась: 1-ый максимальный уровень А_р сместился на 5 лет и совпал с минимальными уровнями df_min, F_10.7 и W в период с зимы 1982/1983 гг. до зимы 1987/1988 гг. Именно в этот период отмечалось самое низкое для зимних периодов поглощение в ионосфере, совпавшее, на наш взгляд, с изменением геомагнитной обстановки. Это изменение связано, видимо, с сильными магнитными бурями, наблюдавшимися в феврале в 1983 г. и в 1986 г. (в зимы, относящиеся к 21-ому циклу солнечной активности, как было замечено выше, не наблюдалось сильных магнитных бурь с А_р > 100). Усиление активности связано и с изменением числа более слабых магнитных бурь. На рис.4 представлена кривая (пунктир с темными кружочками), характеризующая временной ход числа слабых магнитных бурь N с А_р > 20 для летних (рис.4, а) и зимних (рис.4, б) периодов. Видно, что временные вариации индекса А_р и чисел N с А_р > 20 хорошо коррелируют между собой.

а)	б)
Рис.4. Временные вариации значений индекса радиоизлучения Солнца F10.7, чисел Вольфа W, планетарного индекса геомагнитной активности Aр и dfmin, усредненных за летние месяцы (а) и за зимние (б): сплошные линии - усредненные за 5 лет значения в области максимума и минимума солнечной активности; пунктир с темными кружочками - временной ход числа слабых магнитных бурь N с Ар > 20.

Как оказалось, "зимняя аномалия" поглощения зимой в значительной степени определяется именно количеством возмущений в магнитном поле Земли. На рис.5,а представлено изменение от зимы 1968/1969 гг. к зиме 1990/1991 гг. для 2-х (для 21-ого и 22-ого) циклов солнечной активности числа дней с аномально высоким поглощением и числа магнитовозмущенных дней. Для повышения достоверности результатов анализа число дней с аномально высоки