Долгопериодные тренды критических частот по данным ионосферных станций Томска и Слоу

Ю.Е. Таращук, Б.Б. Цыбиков

ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ТРЕНДЫ КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ ПО ДАННЫМ ИОНОСФЕРНЫХ СТАНЦИЙ ТОМСКА И СЛОУ

Предложена новая методика исключения из рядов данных критических частот слоя Б2 (/ОК2) вариаций, периоды которых совпадают с основными гармониками солнечной активности. Использовались данные ионосферных станций Томска (1936 - 1999 гг.) и Слоу (1932 - 1995 гг.). Показано, что с ростом геомагнитной широты фг наклон долгопериодного тренда к уменьшается и составляет для Томска (фг = 46°№) к = -6,3' 10 3 МГц/год и Слоу (фг = 54°№) к = -5,4' 10 4 МГц/год соответственно. Сглаженные полиномами 5 степени ряды отфильтрованных данных /ОК? имеют квазипериодическую составляющую ~ 30 лет и характерные особенности, которые сдвинуты по времени (характерный минимум полинома в Томске запаздывает относительно аналогичного минимума в Слоу примерно на 5 - 6 лет).

Настоящий этап исследований верхней атмосферы можно охарактеризовать как этап переноса метеорологических и климатических представлений на всю верхнюю атмосферу в целом. Не случайно возник новый термин в этой области исследований - «космическая погода». В связи с этим в начале 90-х годов резко возрос интерес к исследованиям долгопериодных (с периодами более 1 года) вариаций характеристик верхней атмосферы Земли, не связанных с 11 -летним циклом солнечной активности (СА) [1 - 14], и, вследствие этого, поиск закономерностей с периодами, сопоставимыми с климатическими изменениями в приземной атмосфере.

Обратимся к истории вопроса исследований трендов в вариациях критической частоты слоя F2 ионосферы. Так, Бремер [1] проанализировал данные ионосферных станций Юлиусру, Пуатье и Слоу за 1949 - 1989 гг. и не обнаружил значимых изменений критических частот слоя F2 ионосферы (/0Р2) неестественного происхождения.

Практически то же самое утверждают Шубин и Фельдштейн [4], которые рассмотрели данные станции Слоу за период 1932 - 1995 гг. и пришли к выводу, что долгопериодные вариации /аЕ2 представляют собой естественные проявления солнечно-земных связей. При этом они использовали линейное сглаживание исходных данных по 10 точкам (или 10 годам, что практически соответствует 11-летнему циклу солнечной активности).

Данилов и Михайлов [11] предложили новый подход к поиску долгопериодных трендов /0-Р2, который основан на анализе относительных отклонений реальных величин /аР2 от их модельных значений. Для исключения влияния солнечной активности они использовали данные о критической частоте только по 3 года в окрестности максимумов и минимумов СА, начиная с 1965 г. Авторами были проанализированы данные 11 ионосферных станций, расположенных в широком интервале геомагнитных широт (~ 30.4о- 63.50). Им удалось выделить отрицательные тренды /аР2 для всех станций, причем амплитуда этих трендов увеличивается с ростом геомагнитной широты ионосферной станции. Отметим, что данная методика исключения влияния СА на вариации /а£2 практически в 2 раза уменьшает длину временного ряда/ар2, используемого для анализа тренда.

В [12, 14] на основе анализа данных ионосферной станции Слоу для полуденных часов за 1932 - 1995 гг. установлена корреляция климатических изменений F2-слоя с уровнем солнечной активности Я* (скользящее среднее за 11 лет по числам Вольфа). Получено, что эта корреляция связана с уменьшением температуры атмосферы в области мезопаузы и подъемом мезопаузы при увеличении Я*, по-видимому, из-за увеличения скорости охлаждения атмосферы парниковыми газами в этой области. Тем самым показано, что ионосфера может быть использована как индикатор солнечного воздействия на долговременные изменения энергетического баланса мезосферы и нижней термосферы.

Краткий обзор по этой проблеме, приведенный выше, позволяет утверждать, что к настоящему времени нет единого мнения о существовании и природе долгопериодных вариаций /ср2, не связанных с солнечно обусловленными фактора-

ми. На наш взгляд, это может быть обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, сравнительно небольшой длиной существующих однородных временных рядов ионосферных данных, привлекаемых для анализа. Во-вторых, отсутствием единой методики исключения из них факторов, обусловленных периодичностью (содержащей целый ряд четко выраженных периодов) солнечной активности.

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

В рамках данной проблемы актуально использование данных Томской ионосферной станции (ТИС), которая начала работу с июня 1936 г. и является первой регулярно действующей ионосферной станцией на территории России и 4-й в мире. За период работы ТИС накоплены ряды однородных данных об основных параметрах ионосферной плазмы длительностью более 67 лет. Это обусловлено также и тем, что метод вертикального зондирования был и остается одним из основных источников информации об ионосфере. Интерес также представляет сопоставление данных ТИС с данными первой в мире (1932 г.) ионосферной станции в Слоу (Англия).

В работе проведен анализ среднегодовых медианных критических частот слоя /0^2 в местный полдень (12 LT), которые получены на ТИС в период 1936 -1999 гг., а также данных Слоу за период 1932 -1995 гг., из которых были исключены значения /0^2, наблюдавшиеся в периоды сильных геомагнитных возмущений (значения Ар-индекса геомагнитной активности в данный 3-часовой интервал более 8 нТл). Отметим, что интервалы измерений /0^2 как в Томске, так и в Слоу охватывают более 6 одиннадцатилетних циклов солнечной активности.

Метод цифровой фильтрации солнечно обусловленных вариаций электронной концентрации основан на последовательном применении следующих операций: прямое преобразование Фурье, подавление компонент спектра, которое может быть либо выборочным (подавление компонент спектра, соответствующих основным периодам солнечной активности), либо пороговым, когда производится подавление всех спектральных составляющих, амплитуда которых превышает пороговый уровень, и обратное преобразование Фурье спектра, полученного после подавления выделенных компонент спектра. Данный метод был реализован на ЭВМ с помощью прикладного пакета МаШеаё-2001. В принципе, метод мало чем отличается от известного способа фильтрации с использованием спектрального анализа. Практическая реализация метода происходит в несколько этапов и иллюстрируется рис. 1.

На рис. 1, а, г представлен временной ход критических частот /^2 (кружочки) на фоне вариаций солнечной активности (сплошные кривые) по ионосферным станциям Томск (рис. 1, а) и Слоу (рис. 1, г). Прямыми линиями на рисунках показаны результа-

Томск

ты линейного регрессионного анализа исходных рядов данных /о^2. Обращает на себя внимание то, что если в Томске наклон тренда к отрицательный, к = -1,3-10-2 МГц/год, то в Слоу, наоборот, наклон тренда положительный и к = 1,1-10-2 МГц/год.

Слоу

Спектральная плотность мощности, 5

Рис. 1. Зависимость среднегодовых чисел Вольфа и полуденных меданных критических частот (/0Р2) по данным станций Томска и Слоу: а ,г - временной ход W (кривая) и /Р2 (кружочки), прямые - линии регрессии (к - угол наклона); б, д - спектральные плотности мощности £ и исходных данных W, /Р2 и отфильтрованных рядов критических частот -/Р2ф; в, е - зависимость отфильтрованных рядов /Р2ф от времени

Вначале временные ряды /0¥2 подвергались спектральному анализу с применением быстрого преобразования Фурье. Полученные спектры анализировались на предмет выявления основных спектральных составляющих и сопоставлялись со спектрами вариаций солнечной активности. На рис. 1, б,д представлены спектральные плотности мощности (кружочки, соединенные отрезками прямых), рассчитанными по среднегодовым числам Вольфа ^) и среднегодовым полуденным медианным критическим частотам (/¥2). Видно хорошее качественное и количественное (по периодам) соответствие основных спектральных компонент в спектрах солнечной активности и вариаций критических частот, показывающее, что основная часть энергии сосредоточена в гармониках с периодами от 8 лет и выше. Поэтому для исключения из вариаций критических частот периодичностей, обусловленных солнечной активностью, достаточно подавить составляющие спектра п2, п3, п6 и п8 (отсчет идет от наиболее длинноперодной гармоники), периоды которых соответственно равны ~ 31,5, 21, 10,5 и 7,9 лет.

Подавление указанных компонент спектра производилось путем простого сложения двух соседних с подавляемой компонент с последующим делением пополам:

п, = (п, - + п,+1) /2.

Таким образом были подавлены четыре спектральные компоненты для спектра вариаций /0¥2 по данным станции Томск и три - по данным станции Слоу. Полученные в результате данной операции спектры представлены на рис. 1, б,д крестиками, соединенными штриховой линией.

Затем эти спектры были использованы для восстановления рядов данных /0¥2, из которых исключены вариации с периодами 31,5, 21, 10,5, 7,9 лет в Томске и 31,5, 10,5, 7,9 лет в Слоу. Для этого спектры подвергались обратному преобразованию Фурье, в результате чего были восстановлены временные ряды /0¥2ф, из которого исключены вариации, обусловленные цикличностью солнечной активности (рис. 1, в,е). Линейный регрессионный анализ рядов данных /0¥2ф показал, что для Томска наклон тренда не изменился, но скорость убывания критических частот уменьшилась в 2,5 раза, а для Слоу наклон тренда сменился с положительного на отрицательный. При этом в Томске скорость убывания критических частот (-6,3-10-3 МГц/год) более чем на порядок величины выше, чем в Слоу (-5,4-10-4 МГц/год).

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выше отмечалось, что наиболее распространенной оценкой долгопериодных вариаций /0¥2 является коэффициент линейной регрессии (угол наклона), характеризующий наиболее общую тенденцию этих вариаций. Большинство работ [1, 4, 7, 11], в которых в качестве критерия тренда использован этот параметр, основаны на рядах ионосферных данных, которые намного короче рядов, использовавшихся в настоящей работе. Тем не менее можно отметить хорошее

количественное соответствие величин коэффициента к, полученных различными авторами, с результатами, полученными в настоящей работе. Наибольший интерес представляет сопоставление результатов с данными работ, в которых анализировались данные ионосферных станций Томска и Слоу [11, 14].

Одним из основных выводов работы [11] является вывод о росте величины тренда с увеличением геомагнитной широты точки наблюдения. Результаты, полученные в данной работе, утверждают обратное. Так, для Томска (геомагнитная широта фг = 46°М) к = —6,3-10-3 МГц/год, а для Слоу (фг = 54°Ы) к = -5,4'Ю-4 МГц/год. Несоответствие результатов, полученных в этих работах, можно объяснить как различием методов исключения солнечно обусловленных факторов из рядов критических частот, так и длиной рядов данных /¥2 (в нашем случае ряды /0¥2 более чем в 2 раза длиннее). В работе [11] для исключения влияния цикличности солнечной активности были использованы по 3 года вблизи ее максимумов и минимумов (М3+т3), что привело к сокращению длины используемого ряда /¥2 ~ в 2 раза, причем анализировались относительные величины 5/0¥2. Отметим, однако, что методы исключения влияния солнечной активности в обеих работах привели к смене положительного наклона тренда на отрицательный.

В работах [12, 14] показано, что долгопериодные вариации критических частот по данным ионосферной станции Слоу связаны с климатическими изменениями слоя ¥2, которые, в свою очередь, обусловлены вариациями солнечной активности. Несмотря на различия в подходах к поиску долгопериодных вариаций критической частоты, результаты настоящей работы, полученые как по данным Слоу, так и Томска, обнаруживают хорошее согласие (рис. 2).

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 Годы

Рис. 2. Зависимость отфильтрованных рядов/аР2 от времени (тонкие линии) и их аппроксимация полиномом 5 степени (толстые линии) для Томска и Слоу

На данном рисунке представлен временной ход отфильтрованных рядов данных /0¥2ф для станций Томск и Слоу (тонкие линии). Аппроксимация этих данных полиномом 5 степени (толстые кривые) показала, что в вариациях /0¥2ф присутствует квазисину-соидальная составляющая с периодом ~ 30 лет, причем минимумы и максимум полинома, восстановленного по данным станции Слоу, совпадают с минимумами и максимумом климатических изменений скользящих средних за 5 лет относительных значений критической частоты [12, 14]. Для полинома, восстановленного по данным станции Томска, можно выделить лишь один выраженный минимум, который сдвинут относительно Слоу и запаздывают относительно последнего примерно на 5 - 6 лет.

Таким образом, помимо региональных особенностей, связанных географическим расположением ионосферных станций Томска и Слоу, существует гораздо более долгопериодная составляющая в вариациях критической частоты, обнаружить которую традиционным методом спектрального анализа на настоящем этапе невозможно в силу ограниченности длины рядов наблюдений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведен анализ среднегодовых полуденных медианных значений критических частот /0¥2 для Томска (за период 1936 - 1999 гг.) и Слоу (1932 - 1995 гг.), причем из данных Слоу были исключены периоды сильных геомагнитных возмущений (Ар > 8 нТл).

Для исключения из рядов данных солнечно обусловленных факторов с квазипериодами ~ 31.5, 21, 10.5 и 7.9 лет использовался метод цифровой фильтрации на основе прикладного пакета МаШеаё-2001. Такой подход применительно к анализу рядов ионосферных данных является принципиально новым и позволяет провести анализ долгопериодных трендов /0¥2, не уменьшая длину ряда.

Установлено, что с ростом геомагнитной широты наклон тренда к уменьшается и составляет для Томска (фг = 46°К) к = -6,3 10-3 МГц/год и Слоу (фг = 54°Ы) к = -5,4-Ю-4 МГц/год соответственно.

Показано, что сглаженные полиномами 5 степени ряды отфильтрованных данных /0¥2 имеют квазипе-риодическую составляющую ~ 30 лет и характерные особенности, которые сдвинуты по времени. Так, в Томске характерный минимум полинома запаздывает относительно аналогичного минимума в Слоу примерно на 5 - 6 лет, что, возможно, указывает на наличие региональных особенностей.

Полученные данные противоречат выводам работы [11] и соответствуют [12, 14].

Последнее позволяет предположить, что климатические изменения /0¥2, обнаруженные в [12, 14], связаны не с вариациями солнечной активности, а обусловлены региональными особенностями.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства промышленности, науки и технологий России на установке «Томская ионосферная станция» (программа 024, рег. № 06-22).

ЛИТЕРАТУРА

1. Bremer J. Ionospheric trends in mid-latitudes as a possible indikator of the atmospheric greenhouse effects // J. Atmos. Terr. Phys. 1987. V. 49. No. 7. P. 901.

2. Гивишвили Г.В, Лещенко Л.Н. Долговременные тренды свойств ионосферы и термосферы средних широт // Докл. РАН.1993. Т. 333. № 1. C. 86-89.

3. Гивишвили. Г.В Лещенко, Л.Н. Возможное доказательство наличия техногенного воздействия на среднеширотную ионосферу // Докл. РАН. 1994. Т. 334. № 2. C. 213-214.

4. Шубин В.Н., Фельдштейн А.Я. Тренды критических частот слоя F2 ионосферы по данным станции Слоу // Геомагнетизм и аэрономия 1995. Т. 35. № 2. C. 171-175.

5. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Метеорологические эффекты в ионосфере (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35. № 3. C. 1-22.

6. Данилов. А.Д. Долгопериодные вариации температуры и состава мезосферы и термосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. № 2. C. 1-17.

7. Данилов. А.Д. Михайлов А.В. Тренды критических частот в области F2 ионосферы по станции Москва // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38. № 1. C. 170-172.

8. Гуляева Т.Л. Долговременные свойства ионосферной и геомагнитной возмущенности во второй половине ХХ века // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 4. C. 69-74.

9. Данилов. А.Д. Смирнова Н.Д Долговременные тренды электронной концентрации в области D: экспериментальные данные. // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 2. C. 107-112.

10. Ванина Л.Б., Данилов. А.Д. Cвязь области F2 с параметрами стратосферы: сезонный эффект // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 3. C. 129-130.

11. Данилов. А.Д. Михайлов А.В. Долговременные тренды параметров области F2: новый подход //Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 4. C. 75-81.

12. Деминов М.Г., Гарбацевич А.В., Деминов Р.Г. Климатические изменения FZ-слоя ионосферы // ДАН. 2000. Т. 372. № 3. С. 383-385.

13. Таращук Ю.Е., Цыбиков Б.Б. Среднегодовые вариации критических частот слоя F2 по данным Томской ионосферной станции за период 1936 - 1998 гг. // Материалы научн. конф. «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири. Горно-Алтайск, 2000. С. 39-40.

14. Деминов М.Г., Гарбацевич А.В., Деминов Р.Г. Долговременные изменения критической частоты ^2-слоя на средних широтах в полдень // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 1. C. 103-111.