Отклик ионосферы на интенсивные УНЧ волны по данным GPS-приемников и радара EISCAT

УДК 550.385.4

В. Б. Белаховский, В. А. Пилипенко, А. Е. Козловский, С. Н. Самсонов

ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА ИНТЕНСИВНЫЕ УНЧ ВОЛНЫ ПО ДАННЫМ ОРБ-ПРИЕМНИКОВ И РАДАРА Е1БСАТ

Аннотация

Более ранние наши исследования показали, что во время появления мощных геомагнитных Pc5 пульсаций наблюдаются колебания с той же частотой в полном электронном содержании (ПЭС) ионосферы, определяемом с помощью GPS-приемников в Скандинавии. В данной работе проанализирован отклик ионосферы с использованием GPS-приемников и радара EISCAT в Тромсё на УНЧ-волны для события 31 октября 2003 г. Сравнение периодических колебаний в электронной концентрации, определяемой по данным радара EISCAT, c Pc5 пульсациями в ПЭС показывает высокую корреляцию между ними. Детальный анализа показывает, что основной вклад в Pc5 пульсации в ПЭС обеспечивается нижней ионосферой (до высоты 200 км) — E-слоем и нижней частью F-слоя. Появление Pc5 пульсаций в ПЭС, по всей видимости, связано высыпанием заряженных частиц в ионосферу.

Ключевые слова:

УНЧ-волны, ионосфера, полное электронное содержание, радар EISCAT.

V. B. Belakhovsky, V. A. Pilipenko, A. E. Kozlovsky, S. N. Samsonov

THE IONOSPHERE RESPONSE TO THE INTENSE ULF WAVES BY THE DATA OF GPS RECEIVERS AND EISCAT RADAR

Abstract

Earlier our studies demonstrated that during the appearance of the intense geomagnetic Pc5 pulsations the oscillations with the same frequency in the total electron content (TEC) of the ionosphere determined by the GPS receivers in Scandinavia were observed. In this work we analyzed the response of the ionosphere with using the GPS receivers and the EISCAT radar in Tromso to the ULF waves for the event 31 October 2003. The comparison of the periodic oscillations in the electron density determined by the data of EISCAT radar with the Pc5 pulsations in TEC show a high correlation between them. The detailed analyzes show that the basic contribution to the Pc5 pulsations in TEC is provided by low ionosphere (up to the height 200 km) - E layer and low part of the F layer. The appearance of the Pc5 pulsations in TEC obviously is associated with the precipitation of the charged particles into the ionosphere.

Keywords:

ULF waves, ionosphere, total electron content, EISCAT radar.

1. Введение

Ионосфера представляет собой внутреннюю границу околоземного космического пространства, где происходит обмен энергией между нейтральной атмосферой и магнитосферной плазмой. МГД-волны в УНЧ (ультранизкочастотный) диапазоне являются важным каналом передачи энергии от внешней магнитосферы к ионосфере. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой происходит возбуждение различных типов УНЧ-волн, которые заполняют магнитосферу и достигают ее внутренней

границы — ионосферы. Магнитометры на спутниках и на земной поверхности дают большое количество информации о волнах в магнитосфере [1], в то время как волновые свойства самой ионосферы остаются недоступными для данных инструментов. Одним из таких инструментов для исследования волновых свойств ионосферы в УНЧ-диапазоне являются глобальные навигационные спутниковые системы (GPS/ГЛОНАСС), которые позволяют определить полное электронное содержание ионосферы — интегральную концентрацию ионосферы вдоль луча, соединяющего GPS-спутник и наземный приемник.

Ранее было показано, что ионосфера является достаточно чувствительной к наличию УНЧ-волн. Так, модуляция ПЭС УНЧ-волнами была показана в работах [2, 3], однако физический механизм модуляции пока до конца не выяснен.

В данной работе проанализировано событие 31 октября 2003 г., когда в ионосфере наблюдались глобальные Pc5 пульсации по данным GPS-приемников и радара EISCAT в Тромсё [4]. Анализ данных наблюдений дает дополнительную информацию о волновых свойствах ионосферы.

2. Используемые данные

В работе были использованы данные по полному электронному содержанию с 30-секундным временным разрешением, определяемому по данным GPS-приемников в Скандинавии (TROM, VARS, KIR). Наклонное ПЭС (STEC) пересчитывалось в вертикальное ПЭС (VTEC). В работе были использованы данные магнитометров сети IMAGE в диапазоне геомагнитных широт 58°-79°. В работе были использованы данные UHF радара EISCAT в Тромсё (TRO), а также данные приемников на станциях KIR, SOD (рис. 1). Луч радара EISCAT был направлен вдоль геомагнитного поля. Радар EISCAT позволяет определить высотный профиль концентрации ионосферной плазмы, скорости, температуры ионов, температуры электронов. Для контроля над потоками высыпающихся электронов были использованы данные многолепесткового риометра IRIS в Килписярви (KIL). Магнитная станция TRO находится внутри поля зрения риометра в KIL.

3L October 2003, 11,00-11.30 UT

Рис. 1. Проекции на ионосферу (250 км) пролетов GPS-спутников по отношению к наземным приемникам (TROM, VARS, KIR) 31 октября 2003 г. в 11.00-11.30 UT.

GPS-приемники обозначены квадратами, магнитометры — треугольниками, радар EISCAT — темной точкой

3. Событие 31 октября 2003 г.

На восстановительной фазе сильной геомагнитной бури 31 октября 2003 г. наблюдались интенсивные Pc5 пульсации (с амплитудой до 500 нТл) [5]. Для временных интервалов 11.00-12.00 UT и 12.00-13.00 UT, когда наблюдались геомагнитные Pc5 пульсации, производилось сравнение вариаций ПЭС с вариациями X-компоненты наземного геомагнитного поля на станции KIR (Ф = 67.8°) и параметрами ионосферы, определяемыми по данным радара UHF EISCAT в Тромсё. В данных ПЭС, видны небольшие по амплитуде относительно общего уровня ПЭС (30-40 TECU) Pc5 пульсации. Чтобы выделить эти Pc5 пульсации, из исходных данных вычитались низкочастотные вариации с частотой отсечки 1 мГц. Такие квазипериодические вариации наблюдались в широком диапазоне геомагнитных широт (Ф = 58°-72°) [2].

31 October 2003

Рис. 2. Вариации X-компоненты геомагнитного поля на станции KIR; вариации

ПЭС по данным приемника на станции KIR и спутников GPS-7, GPS-9 с удаленным низкочастотным трендом (ниже 1 мГц); вариации концентрации ионосферной плазмы на высоте 110 км по данным радара EISCAT; вариации риометрического поглощения на станции Кильписъярви

Сравнение вариации геомагнитного поля на станции KIR, вариаций ПЭС (GPS7/KIRU, GPS9/KIRU), концентрации ионосферы Ne на высоте 110 км, по данным EISCAT, для интервала 11.00-13.30 UT говорит о наличии Pc5 пульсаций с одним периодом в этих параметрах (рис. 2).

Спектральный анализ показывает преобладание частоты 2.4 мГц для данных колебаний [4]. Амплитуда Pc5 пульсаций в ПЭС составила ~0.6 TECU (GPS07/KIR) и ~1.0 TECU (GPS09/KIRU). Кросс-спектральный анализ показывает наличие достаточно высокой когерентности (y(f ~0.8) между вариациями ПЭС и вариациям Ne на частоте 2.5 мГц. В то же время можно обратить внимание, что не все цуги колебаний в ПЭС сопровождаются такими же по амплитуде цугами колебаний в Ne.

Когерентность между Х-компонентой геомагнитного поля на станции KIR и Ex-компонентой электрического поля, по данным EISCAT, составила у ~0.8. Коэффициент корреляции между вариациями ПЭС и Ex-компонентой составил 0.86.

Амплитуда Pc5 пульсаций в геомагнитном поле составила ДВ~400 нТл (Х-компонента) на станции KIR. Визуальный просмотр интервала 11.00-12.30 UT показывает, что Pc5 пульсации в X-компоненте геомагнитного поля и ПЭС находятся в противофазе. В то же самое время в вариациях риометрического поглощения на станции Кильписъярви не наблюдается четких Pc5 пульсаций, как в вариациях геомагнитного поля.

Важным параметром УНЧ-волн является масштаб в широтном (радиальном) и долготном (азимутальном) направлении. Характеристики УНЧ в долготном направлении характеризуется азимутальным волновым числом (m), которое может определяться по формуле

m = (Дх/Т)(360°/ДЛ),

где Дт — временной сдвиг, соответствующий максимуму коэффициента корреляции кросс-корреляционной функции, T — период колебаний, ДЛ — расстояние по долготе в градусах между азимутальной парой магнитных станций.

Азимутальный масштаб геомагнитных Pc5 пульсаций был оценен по паре магнитных станций KIR-LOZ, расположенных на широте ~67.8° и разнесенных по долготе на ДЛ ~15.4°. Азимутальный масштаб Pc5 пульсаций в ПЭС был оценен по данным пролетов спутников GPS9/TROM, GPS28/VARS на широте ~69.7° и разнесенных по долготе на ДЛ = 27.2°. На частоте спектрального максимума 2.5 мГц азимутальное волновое число для геомагнитных колебаний составляет m ~ 0.9, для колебаний ПЭС — m ~ 0.5. Поэтому Pc5 пульсации в магнитном поле и в ПЭС распространяются в одном направлении, m для пульсаций в ПЭС имеет немного меньшие значения, чем для пульсаций в геомагнитном поле.

В нашей работе [4] было показано, что глубина модуляции ПЭС для исследуемых Pc5 пульсаций сопоставима и может даже превосходить глубину модуляции в (ДПЭС/ПЭС ~ 2.5 %, ДВД ~ 1 %).

Для того чтобы определить, какой слой ионосферы вносит наибольший вклад в Pc5 пульсации в ПЭС, ионосферная концентрация Ne(z), определяемая по данным радара EISCAT, была проинтегрирована в двух высотных диапазонах: 103-152 км и 152-415 км (рис. 3). Далее производилось сравнение вариаций ПЭС с вариациями интегральной концентрации для двух высотных интервалов. Данное сравнение, а также анализ верхней панели на рис. 3 показывает, что основной вклад в Pc5 пульсации в ПЭС обеспечивается нижней ионосферой до высоты примерно 200 км (то есть E-слой и нижняя часть F-слоя).

Рис. 3. Вариации концентрации ионосферной плазмы с высотой; вариации интегральной концентрации ионосферной плазмы в диапазоне высот 103-152 км и ПЭС по данным станции KIR, спутника GPS-9; вариации интегральной концентрации ионосферной плазмы в диапазоне высот 152-415 км и ПЭС по данным станции KIR, спутника GPS-9

Обсуждение и заключение

Сравнение Pc5 пульсаций в ПЭС, определяемом по данным GPS-приемников в Скандинавии, с одновременными Pc5 пульсациями в концентрации ионосферной плазмы, определяемой по данным радара UHF EISCAT в Тромсё, для события 31 октября 2003 г. показало наличие высокой корреляции между ними. Однако не все цуги колебаний в ПЭС так же четко видны в электронной концентрации. Показано, что азимутальный масштаб Pc5 пульсаций в ПЭС в целом совпадает с азимутальным масштабом геомагнитных Pc5 пульсаций.

Анализ высотного распределения ионосферной концентрации, полученной по данным радара UHF EISCAT в Тромсё, во время наблюдения глобальных Pc5 пульсаций показал, что основной вклад в Pc5 пульсации в ПЭС обеспечивается нижней ионосферой до высоты примерно 200 км (E-слой, нижняя часть F-слоя).

Появление Pc5 пульсаций в ПЭС может быть связано с высыпаниями заряженных частиц в ионосферу при развитии геомагнитных возмущений. Данные риометра в Кильписъярви показали отсутствие четких колебаний в поглощении во время наблюдения геомагнитных Pc5 пульсаций. Однако

риометр в авроральной зоне реагирует на высыпание электронов с энергиями примерно 30-50 кэВ, поэтому Pc5 пульсации в ПЭС могут быть вызваны потоками более мягких электронов (с энергиями менее 30 кэВ), которые, в свою очередь, промодулированы МГД-колебаниями Pc5 диапазона в магнитосфере.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-35-00095 мол_а (БВ). Данные GPS-приемников были предоставлены сетью IGS. Выражаем благодарность сотрудникам EISCAT, сотрудникам сети магнитометров IMAGE, сотрудникам IRIS за предоставленные данные.

Литература

1. A study of Pc5 ULF oscillations / M. K. Hudson [et al.] // Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 289-302.

2. Modulation of total electron content by ULF Pc5 waves / V. Pilipenko [et al.] // J. Geophys. Res. 119. 2014. 4358-4369.

3. Large-amplitude GPS TEC variations associated with Pc5-6 magnetic field variations observed on the ground and at geosynchronous orbit / C. Watson[et al.] // J. Geophys. Res. 2015. 120. DOI: 10.1002/2015JA021517.

4. ULF wave modulation of the ionospheric parameters: Radar and magnetometer observations / V. Pilipenko [et al.] // J. Atmosph. Solar-Terr. Physics. 2014. 108. 68-76.

5. Kleimenova N. G., Kozyreva O. V. Spatial-temporal dynamics of Pi3 and Pc5 geomagnetic pulsations during the extreme magnetic storms in October 2003 // Geomagnetism and Aeronomy: [English translation]. 2005. 45. 71-79.

Сведения об авторах Белаховский Владимир Борисович

к. ф.-м. н., научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: belakhov@mail.ru

Пилипенко Вячеслав Анатольевич

д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией, Институт физики Земли РАН, г. Москва

E-mail: pilipenko_va@mail.ru Козловский Александр Евгеньевич

к. ф-м. н., PhD, Обсерватория Соданкюля Университета Оулу, Финляндия

Самсонов Сергей Николаевич

к. ф.-м. н., заведующий лабораторией, и аэрономии, г. Якутск E-mail: s_samsonov@ikfia.ysn.ru

Институт космофизических исследований