Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г. 

Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г.

Э.Л. Афраймович (afra@iszf.irk.ru), Э.И. Астафьева, С.В. Воейков Институт солнечно-земной физики СО РАН

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования уединенных волн (солитонов) в атмосфере Земли представляет большой научный и практический интерес [Пелиновский, 1977; Уизем, 1977; Савина, Ерухимов, 1981]. Одним из видов крупномасштабных атмосферных возмущений на уровне ионосферного слоя F являются крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (КМПИВ). Существование КМПИВ принято связывать с распространяющимися в ионосфере крупномасштабными внутренними гравитационными волнами (ВГВ).

Основные свойства ПИВ удается объяснить в рамках линейной теории (см., например, [Гершман, Григорьев, 1968; Григорьев, 1999]). Вместе с тем в ряде случаев наблюдаются ПИВ, характеристики которых свидетельствуют о необходимости привлечения нелинейной теории. Решению этой проблемы посвящено много теоретических работ [Пелиновский, 1977; Савина, Ерухимов, 1981], в которых обосновывается теоретическая возможность существования солитонов в атмосфере. Однако, до сих пор не было получено прямой экспериментальной регистрации этого физического явления.

Исследование пространственно-временных характеристик процесса распространения интенсивных КМПИВ с одновременным анализом всего спектра ионосферных неоднородностей, сопровождающих этот процесс, необходимо также для проверки различных механизмов генерации на средних широтах ионосферных неоднородностей малого (100-1000 м) и промежуточного (1-10 км) масштабов [Гершман, 1974; Гершман, 1980; Гершман, Казимировский, Кокоуров, Чернобровкина, 1984]. В дальнейшем для удобства изложения в известной степени условно будем относить эти неоднородности к классу мелкомасштабных неоднородностей (ММН).

Интерес к ММН обусловлен тем, что с ними связывают явление F-рассеяния КВ и мерцания радиосигналов ИСЗ в метровом и дециметровом диапазонах (в частности GPS), снижающие эффективность функционирования спутниковых радиотехнических систем [Scone, Jong, 2000, 2001; Афраймович и др., 2002; Conker et al., 2003]. Диагностика таких неоднородностей представляет также большой интерес в решении проблемы предсказания землетрясений [Pilipenko et al., 2001].

В авроральных и на экваториальных широтах существуют условия для развития различных вида неустойчивостей ионосферной плазмы [Fejer, Kelley, 1980; Гершман, Ерухимов, Яшин, 1984; Гельберг, 1986]. При расширении аврорального овала расширяется и область с развитыми ММН. Однако вдали от аврорального овала подобные механизмы не реализуются. Для средних широт наиболее перспективным механизмом образования ММН считают каскадный процесс генерации неоднородностей при распространении интенсивных ВГВ [Гершман, Ерухимов, Яшин, 1984; Гершман, Казимировский, Кокоуров, Чернобровкина, 1984]. Однако до сих пор убедительного экспериментального подтверждения эффективности такого механизма в литературе не приведено, хотя отдельные эксперименты косвенно свидетельствуют о том, что во время магнитных бурь усиливается интенсивность как длинноволновой, так и коротковолновой части спектра ВГВ [Афраймович и др., 2001]. Как и для детектирования уединенных волн, в значительной степени это связано

с низким пространственно-временным разрешением существовавших ранее средств зондирования атмосферы и ионосферы.

В ИСЗФ СО РАН разработана технология глобального детектирования и мониторинга возмущений полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере на основе обработки данных глобальной сети приемников навигационной системы GPS [Afraimovich, 2000]. Эта сеть используется как глобальный GPS детектор, отличающийся от ранее известных средств радиозондирования ионосферы непрерывностью наблюдений, высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением, а также технологичностью обработки данных.

Последняя мощная магнитная буря 29-31 октября 2003 г. предоставила уникальную возможность получить экспериментальные данные для детектирования уединенных ВГВ и проверки гипотезы генерации ММН интенсивными ВГВ. Для проверки этой гипотезы наиболее подходящими являются интенсивные КМПИВ, которые генерируются в авроральной области на главной фазе мощных магнитных бурь [Hunsucker, 1982; Hocke, Schlegel, 1996; Ho et al., 1998].

Целью настоящей работы является исследование обсуждаемого во введение комплекса процессов во время мощной магнитной бури 30.10.2003 г.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТЕ.

Геометрия эксперимента на территории США (30°-55°N; 235°-290°E) дана на рис.1.

Точками отмечены

станции GPS. Из-за недостатка места

координаты станций не приводятся, их точные значения можно найти по адресу:

http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbDataByDate.cgi.

Данные GPS с 30-с разрешением в

стандартном формате RINEX [Gunter, 1993], используемые в данном исследовании, представлены на этом же сайте. Звездочкой

показано положение магнитовариационной станции Ottawa, данные которой используются для контроля геомагнитной обстановки и временной привязки события.

На рис.2 сверху представлены вариации напряженности H-компоненты магнитного поля на магнитовариационной станции Ottawa (45.40 N; 284.450 E) 30 октября 2003 г. Интервал времени 17-21 UT представляет особый интерес из-за наиболее высоких значений производной H-компоненты магнитного поля [Афраймович и др., 2001]. Момент tmax максимального возмущения H(t) отмечен вертикальной пунктирной линией.

Широта, N

220 230 240 250 260 270 280 290 300

Долгота, Е

Рис.1.

H(t), нТл

800 -0 -

Ottawa (45.4°N; 284

1 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 12 14 16 18 20 22 24 H(t), нТл ltmax Время, UT

D, км 5000 -

4000

3000

2000

1000 -

19.0 19.5 20.0

Время, UT

20.5 21.0

Рис. 2.

Для определения положения и динамики аврорального овала

использовались данные Space Enviromental Monitor (SEM), полученные с помощью низкоорбитальных (850 км) спутников NOAA 14-17 POES (Polar-Orbiting Operational Environmental Satellite) с полярной орбитой (наклонение 98°). На рис.1. южная граница аврорального овала на момент времени 21:54 UT 30.10.2003 г. отмечена жирной пунктирной линией.

Используемый в настоящей работе метод первичной обработки данных подробно описан в [4-7]. Относительное приращение «наклонного» ПЭС I0 определяется на основе измерений фазового пути трансионосферного радиосигнала GPS [Афраймович и др., 2001]:

2 г 2

1 f f

10 =--1 2 „ [

0 40.308 f12 - f22

где f1, f2, (fa) - частоты (длины волн), на которых излучаются радиосигналы; Ljlj и L2A2 - приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере (L1, L2 - число полных оборотов фазы); const - некоторый неизвестный начальный фазовый путь; nL - ошибка в определении фазового пути.

Для нормировки амплитуды возмущений ПЭС использовалось преобразование "наклонного" ПЭС в эквивалентное "вертикальное" значение I(t) [Klobuchar, 1986]

I(t) = I0 cos

arcsm

-^-cos в,

R + h 1

где Яг - радиус Земли; ктах = 350 км - высота максимума Г2 слоя ионосферы.

3. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ УЕДИНЕННОЙ ВНУТРЕННЕЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ

ВОЛНЫ.

Эксперимент проводился в три этапа. Сначала из данных измерений ПЭС на каждой из станций GPS отфильтровывались вариации ПЭС dI(t) в диапазоне периодов 20-60 мин. Выбирались данные для одного из ИСЗ GPS с номером PRN27, чья траектория оказалась наиболее подходящей для регистрации ПИВ [Afraimovich et al., 1992]. Углы места луча на этот ИСЗ варьировались на всей территории от 45° до 80°, так что эффектами сферичности в условиях сильных пространственных градиентов ПЭС можно было пренебречь.

На нижней панели рис.2 вариации dI(t) нанесены с некоторым сдвигом (см. ниже); n=149 - число траекторий PRN27 с высоким качеством данных (отсутствие сбоев фазовых измерений ПЭС). Масштаб dI(t) в общепринятых единицах TECU (1016 электронов/м2) дан вертикальным отрезком. Из рис.2 видно, что вариации ПЭС подобны по форме, но сдвинуты друг относительно друга по времени. В первом приближении (в пределах наблюдаемой области пространства) это дает основание считать возмущение плоской волной с волновым вектором K. Точкой на одной из кривых отмечено минимальное значение tmin(D) вариаций ПЭС, которое фиксировалось для каждой кривой. Среднее значение характерной длительности возмущения AT (на рис.2 отмечено горизонтальными стрелками) оказалось равным около 40 мин.

Затем с использованием разработанного в [Afraimovich et al., 2000] метода определялись скорость распространения ПИВ V и направление а, отсчитываемое от севера N по часовой стрелке. Метод основан на расчете пространственных и временных градиентов электронной концентрации по измерениям ПЭС на трех разнесенных в пространстве станциях GPS (GPS-решетке). Прямоугольниками A, B, C на рис.1 отмечены регионы регистрации вариаций ПЭС, для каждого из которых использовались все возможные наборы (до 100-500 решеток), базы которых не превышали половину длины волны ПИВ. Оказалось, что для всех регионов скорость V близка к 1400 м/c, а направление - к значению а=235°. Это позволило на третьем этапе представить полученные результаты в более прозрачном виде.

В рассматриваемом регионе волновой вектор возмущения K направлен на юго-запад а = 2350 (левый нижний угол рис.1). Перейдем в топоцентрическую систему координат (xOy) с центром в точке O (отмечена на рис.1 жирной точкой; 300N; 2350E) и с осями координат (x,y), направленными на восток E и север N, соответственно. Повернем систему координат (xOy) на угол в = 350 против часовой стрелки, тогда в новой системе координат (x'Oy') волновой вектор K будет направлен вдоль оси x' (x' = x cos8 + y sinG; y' = - x sin8 + y cos0).

Плоский фазовый фронт будет проходить над различными станциями GPS в соответствии с их координатой x', независимо от координаты y'. Тогда координата x' есть расстояние D от приемника GPS до точки O. Жирной кривой из центра координат (x'Oy') в направлении с азимутом а=55°, противоположным направлению вектора K, проведена соответствующая оси x' проекция дуги большого круга.

Чтобы отобразить перемещение фазового фронта ПИВ вдоль направления x', ко всем отфильтрованным рядам ПЭС dI(t) были добавлены постоянные составляющие, пропорциональные

расстоянию D до приемников, на которых

20.5

20.2 20.1 20 19.9 19.8 19.7 19.6 19.5 19.4 19.3

tmin(D), UT

UD), UT

• ЧУ V = 1400 м/с —

\ -

-

• -

-

-

«V • -

'ша X -

1 1

1000

2000 3000 D, км

4000

20.5

20.2

20.1

20

19.9

19.8

19.7

19.6

19.5

19.4

19.3

5000

Рис. 3.

были получены соответствующие ряды ПЭС (рис.1). Как видно из рис.2, наблюдаемое возмущение представляет собой уединенную волну с характерным периодом около 40 минут. Это возмущение перемещалось практически без изменения формы на протяжении более 4500 км.

К сожалению, из-за сбоев измерений, обычно сопутствующих мощным магнитным бурям [Афраймович и др., 2002], часть данных в диапазоне дальностей 2000-3800 км оказались непригодными для анализа.

На рис.3. представлена зависимость минимальных значений ^шф) вариаций ПЭС, зарегистрированных на приемниках ОРБ в зависимости от расстояния D до этих приемников (точки). Сплошной линией дана аппроксимирующая линейная зависимость для ^шф), соответствующая скорости перемещения 1400 м/с, которая совпадает со значениями V, определенными и помощью ОРБ-решеток.

Интересно проследить за изменением абсолютной амплитуды отклика ПЭС dI(t) на прохождение солитона. На северо-востоке США, где солитон «зарождался», его амплитуда монотонно возрастала при удалении от источника возмущения на протяжении около 1000 км от 2 до 10 ТЕСи. В центральной части и на юго-западе США абсолютное возмущение менялось от 5 до 14 ТЕСИ (в зависимости от широты станции). Приближенные оценки показали, что в этом регионе относительная амплитуда возмущения dImin ф)Л0 по мере удаления от источника увеличивалась от 20% до 50%, что характерно для очень сильных возмущений.

4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ КИЛОМЕТРОВЫХ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

С целью проверки гипотезы генерации ММН при

распространении ВГВ [Гершман, Ерухимов, Яшин, 1984; Гершман, Казимировский, Кокоуров,

Чернобровкина, 1984] мы решили проверить, сопровождается ли перемещение интенсивной

уединенной волны, описание которой приведено в предыдущем разделе, образованием (или усилением) мелкомасштабной

структуры?

Сначала мы выбрали станции ОРБ, показанные на рис.1 светлыми кружочками (названия станций подписаны рядом), вдоль проекции дуги большого круга (рис.1). Для этих станций и РКЫ27 на рис.4 представлены вариации ПЭС dI(t) за 30.10.2003 г., отфильтрованные из исходных рядов вертикального значения ПЭС в диапазоне

периодов 20-60 мин (черные кривые). Серыми кривыми отмечены вариации ПЭС в диапазоне 1-10 мин. На каждой панели подписаны названия и

30.10.2003; РРЫ27

10 5 0 -5 -10

10 5 0 -5 -10

<1ВД, ТЕСи

\VES2; 42.6 Л/, 288.5 Е

17 18 19 20 21 22 23 24

<1ВД, ТЕСи

МвО; 46 Л/, 282 Е

17 18 1 (ПО), ТЕСи

~~1 I 1 I 1 I

21 22 23 24 ¡.АМЭ; 42.7 Л/, 275.3 Е

П 1 Г

17 18 19 20 сЩО, ТЕСИ

1 1 I 1 I 1 I

21 22 23 24 И131; 42 Л/, 270 Е

17 18 19 сИ(0, ТЕСИ

П

21 22 23 24 АгИУ; 33.5 Л/, 243.4 Е

\ 1I^

20 21 22 Типе, ит

Рис. 4.

\

24

координаты станций.

На рис.4 видно, что по мере распространения солитона с северо-востока на юго-запад США в регионах с максимальной амплитудой КМПИВ интенсивность вариаций в диапазоне 1-10 мин возрастала на порядок. Это соответствовало усилению ионосферных неоднородностей с масштабами от 10 до 100 км, а с учетом степенного характера спектра ионосферных неоднородностей, и с масштабами 100-1000 м. С затуханием амплитуды солитона уменьшалась и амплитуда ММН. Кроме того, размах (огибающая) колебаний ПЭС, отражающих интенсивность ММН, максимален тогда, когда максимальна амплитуда КМПИВ. Это означает, что амплитуда мелкомасштабных флуктуаций ПЭС увеличивается в интервалы времени, соответствующим максимальным значениям производной крупномасштабных вариаций ПЭС, или градиентов ПЭС.

Одновременный контроль положения аврорального овала по данным ИСЗ NOAA (1417) показал, что возникновение интенсивных крупномасштабной и мелкомасштабной структур на северо-востоке США не связано непосредственно с высыпаниями энергичных частиц, но синхронно с резкими и глубокими изменениями магнитного поля Земли. Появление этих структур на юго-западе США также не обусловлено непосредственно процессами в авроральном овале, поскольку его южная граница находилась в это время на расстоянии не менее 2000 км от региона (см. рис.1).

Эта работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 00-05-72026, 03-05-64100 и 03-05-64627), а также гранта N НШ-272.2003.5 государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации. Авторы выражают благодарность А.П. Потехину, А.В. Медведеву В.В Евстафьеву и Ю.В. Липко А.И. за интерес к работе и плодотворные дискуссии, Dave Evans (the NOAA/POES Space Environment Monitor data) за данные спутников NOAA POES, а также сотрудникам Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOP AC) за первичные данные глобальной сети наземных двухчастотных приемников GPS, предоставленные в сети Интернет.

Список литературы

1. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А., Лесюта O.C., Ушаков И.И. // Изв. Вузов. Радиофизика. 2001. Т. XLIV. № 10. С. 828.

2. Афраймович Э.Л., О.С. Лесюта, И.И. Ушаков. // Геомагнетизм и аэрон., 2002. Т.42, N2, C.220.

3. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Бернгардт О.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Лесюта О.С., Шпынев Б.Г. // Изв.Вузов. Радиофизика. 2004 (принята к печати).

4. Гельберг М.Г. Неоднородности высокоширотной ионосферы. Новосибирск: Наука. 1986. 192c.

5. Гершман Б.Н., Григорьев Г.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 1. С. 5.

6. Гершман Б.Н. // Ионосферные исследования. М. 1980. N30. C.17.

7. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина Н.А. Явление F-рассеяния в ионосфере. М.: Наука. 1984. с. 144.

8. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука. 1984. с.392.

9. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука. 1974. с.256.

10. Григорьев Г.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 11. № 1. С. 3.

11. Савина О.Н., Ерухимов Л.М. // Геомагн. и аэрон. 1981. Т. 21. № 4. С. 679.

12. Смертин В.М., Намгаладзе А.А. // Геомагн. и аэрон. 1981. Т. 21. № 2. C. 302.

13. Пелиновский Е. Н., Н. Н. Романова. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. № 11. C. 1169.

14. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977. 622 с.

15. Afraimovich, E.L., Terechov, A.I., Udodov, M.Yu. and Fridman, S.V. // J. Atmos. Terr. Phys., 1992. V.54. P.1013.

16. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Palamarchouk K.S., Perevalova N.P., Pirog O.M. // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. № 7. P. 553.

17. Afraimovich E.L. // Radio sci. 2000. V.35. N.6. P.1417.

18. Afraimovich, E.L., V.V. Demyanov, T.N. Kondakova. // GPS Solutions. 2003. V.7. N2. P.109.

19. Brekke A., Doupnik J.D., Banks P.M. // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 3773.

20. Conker, R.S., M. B. El-Arini, C. J. Hegarty and T. Hsiao // Radio Sci. 2003. V.38. N1. 1001, doi:10.1029/2000RS002604.

21. Fejer B.C., Kelley M.C. // Rev. Geophys. Space Phys. 1980. V.18. P.401.

22. Gurtner, W., RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2. http://igscbjpl.nasa.gov:80/igscb/data/format/rinex2.txt, 1993.

23. Hocke K., Schlegel K. // Ann. Geoph. 1996. V.14, N5. P.917.

24. Ho C.M., Iijima B.A., Lindqwister X.P., Mannucci A.J., Sparks L., Reyes M.J., Wilson B.D. // J. Geophys. Res. 1998. V.103, NA11. P.26409.

25. Hunsucker R.D. // Review of Geophysics. 1982. V.20, N2. P.293.

26. Kintner, P.M., H. Kil and E. de Paula // Radio Sci. 2001. V.36. N.4. P.731.

27. Klobuchar J.A. // IEEE Trans. on Aerospace and Electronic system. AES. 1986. V. 23. №3. P. 325.

28. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. // Geophys. Res. Letters. 2002. V.29. N.14. 10.1029/2002GL014770.

29. Mannucci A.J., Ho C.M., Lindqwister U.J. et al. // Radio Sci. 1998. V. 33. P. 565.

30. Pilipenko V., S. Shalimov, S. Uyeda, H. Tanaka, // Proceedings of the Japan Academy, V. 77, ser. B, N7, 2001, P. 125.

31. Richmond .D., Matsushita S. // J. Geophys. Res. 1975. V. 80. № 19. P. 2839.

32. Skone, S. and M. de Jong // Earth, Planets and Space. 2000. V.52. P.1067.

33. Skone, S. and M. de Jong // Physics and Chemistry of the Earth. 2001. Part A 26/6-8. P.613.