Долговременные изменения параметров среднеширотного спорадического слоя Е

Долговременные изменения параметров среднеширотного спорадического слоя Е.

Максютин С.В. (sergey.maksyutin@ksu.ru ), Шерстюков О.Н.

Казанский Государственный Университет

Введение.

Накопление за последние несколько десятков лет длинных рядов экспериментальных данных позволило ряду исследователей провести изучение долговременных вариаций в различных параметрах ионосферы [1-6]. Неоднократно были рассмотрены климатические изменения в параметрах регулярных слоев Е и Б2 [1-4]. Также представляет интерес рассмотрение глобальных климатических изменений в параметрах неоднородной ионосферы, в частности, спорадического Е-слоя. Такие исследования также уже проводились ранее [5-6], где на основе анализа параметра foEs для двух станций южного полушария (Rarotonga (21°Б, 200°Е) - в субтропическом регионе и Christchurch (44°Б, 173°Е) - в средних широтах) за 1947-1983 гг. обнаружено систематическое уменьшение вероятности появления слоев Es со значениями foEs выше заданного [5]. Анализ, проведенный раздельно для разного времени суток (00-04 ЬТ, 10-14 ЬТ, 19-23 ЬТ), привел к идентичным результатам. В дальнейшем обнаружено [6], что степень изменения вероятности появления слоев Es больше для интенсивных слоев (foEs > 6 МГц). Необходимо дальнейшее исследование долговременных вариаций в параметрах спорадического Е-слоя для северного полушария на большем количестве станций за длительный интервал времени.

Методика обработки данных.

В качестве источника данных использовались ионосферная цифровая база данных на лазерных компакт-дисках, распространяемая КОБС. В работе анализировались долговременные вариации предельной частоты foEs слоя Es для 20 среднеширотных станций северного полушария (16 из них в полосе 45° - 65°К одна - 43три - в полосе 65° - 75°К) за период 1957-1990 г.г. (табл. 1).

Табл.1 Параметры трендов предельной частоты слоя Бб для 20 станций северного полушария.

№ Станция а н о р к географическая долгота параметр наклона регрессионной зависимости А Ряд

В ая к о е и ей р г о <и г По среднегодовым значениям foEs [МГц/год] По среднесезонным значениям foEs [МГц/год]

0-23 LT 09-15 LT 21-03 LT лето зима

1 Slough 51.5 359.4 0.004 0.001 0.009 0.009 0.005 1967-89

2 Dourbes 50.1 4.6 0.004 0.008 0.002 0.010 0.005 1958-88

3 Uppsala 59.8 17.6 -0.005 -0.010 0.003 -0.011 0.000 1965-89

4 Lycksele 64.7 18.8 -0.006 -0.013 0.011 -0.016 0.002 1965-89

5 Kiruna 67.8 20.4 -0.002 -0.016 -0.015 -0.013 0.014 1965-85

6 Калиниград 54.7 20.6 -0.003 0.003 0.000 0.001 0.004 1965-90

7 Киев 50.5 30.5 0.000 -0.002 0.004 -0.001 0.004 1964-88

8 Ленинград 60.0 30.7 -0.011 -0.012 -0.010 -0.002 -0.017 1958-90

9 Москва 55.5 37.3 -0.006 -0.004 -0.007 -0.005 -0.005 1958-88

10 Горький 56.1 44.3 -0.002 -0.004 0.000 0.003 0.002 1959-88

11 Свердловск 56.4 58.6 0.014 0.016 0.014 0.014 0.012 1958-90

12 Караганда 49.8 73.1 -0.004 -0.009 0.000 -0.006 0.000 1965-88

13 Алма-Ата 43.2 76.9 -0.014 -0.005 -0.016 -0.012 -0.009 1958-88

14 Томск 56.5 84.9 -0.010 0.000 -0.018 -0.010 -0.011 1958-90

15 Норильск 69.4 88.1 0.000 -0.006 -0.011 -0.010 0.011 1968-88

16 Иркутск 52.5 104.0 -0.006 -0.004 -0.013 -0.008 -0.006 1958-88

17 Якутск 62.0 129.6 -0.011 0.003 -0.022 -0.017 -0.007 1958-88

18 Resolute Bay 74.7 265.1 0.008 0.009 0.006 -0.009 0.019 1967-90

19 Churchill 58.8 265.8 -0.029 -0.060 -0.013 -0.025 -0.029 1967-90

20 Ottawa 45.4 284.1 0.010 -0.002 0.010 0.021 0.005 1966-90

В работе использованы часовые значения аобб, и часовые медианы значений юбб за текущий месяц.

Так как в имеющихся рядах часовых значениях foEs существуют многочисленные пропуски данных, которые не отмечены описательными символами и имеют неясное происхождение - сбой аппаратуры или слабоинтенсивный Es слой (foEs < 1 МГц), проводилось их заполнение для того, чтобы избежать искажения усредненных значений foEs. При заполнении пропусков в рядах часовых значений foEs использовались медианные значения foEsme за текущий месяц для данного часа. Если значение foEsme также отсутствовало, то для заполнения использовались значения критической частоты регулярного слоя Е, рассчитанные по формуле Боенкова [7]. Для рядов часовых значений с заполненными пропусками вычислялись средние значения за полные сутки (00-23 LT), а также за светлое (9-15 LT) и темное (21-03 LT) время суток раздельно. Для устранения влияния сезонной изменчивости foEs перед выделением тренда значения foEs усреднялись за текущий год. Дополнительно проводился анализ долговременных измерений среднесезонных значений foEs. При этом ряды среднесуточных значений foEs усреднялись за основные сезоны (зима и лето) текущего года.

Далее методом наименьших квадратов определялись линейные регрессионные зависимости среднегодовых и среднесезонных значений foEs от времени в виде < foEs >= A * t + B, где t-время. Параметр А (параметр наклона регрессионной засисимости) использовался в качестве численной характеристики выделенных трендов с размерностью МГц / год. Значимость выявленных трендов оценивалась для доверительной вероятности 90 %.

Описание результатов.

В табл. 1 приведены значения параметра А, полученные для рассмотренных станций, указаны их географические координаты и длины использованных в работе рядов. Станции в таблице упорядочены по географической долготе, причем станция Slough (Слау) для удобства рассмотрения вынесена в начало таблицы, так как расположена в Европе (как и остальные станции начала таблицы). В колонках, содержащих значения параметра наклона регрессионных прямых приведены (слева направо) - тренд среднегодовых значений foEs за полные сутки (0-23 LT), за светлое (09-15 LT) и темное (21-03 LT) время суток, и тренд усредненных за лето и зиму значений foEs за полные сутки. Значимые значения (доверительная вероятность 90%) подчеркнуты.

В результате проведенного анализа были обнаружены значимые долговременные изменения (тренды) перечисленных выше параметров. Знак выделенных трендов, приведенных в табл.1, для рассмотренных станций не постоянен. При рассмотрении среднегодовых значений foEs для 13 станций наблюдается отрицательный тренд (в 7 случаях значимый), а для оставшихся 7 - положительный (значимый в 6 случаях). В качестве примера, на рис.1-2 приведены временные ряды усредненных за год дневных, ночных и среднесуточных значений величины foEs для станций Москва (в параметрах которой наблюдается отрицательный тренд) и Свердловск (положительный тренд). Из приведенных в таблице данных также видно, что для отдельных станций (например с № 3,4,17) знак выделенного тренда для среднесуточных, дневных и ночных значений может различаться, но в случае, если выделенные тренды значимы - несоответствий знаков не обнаружено.

Для обнаружения возможных сезонных зависимостей, рассматривались усредненные за основные сезоны (зима и лето) ряды значений foEs. В качестве примера, на рис.3-4 приведены временные ряды усредненных за основные сезоны среднесуточных значений величины foEs - также для станций Москва и Свердловск. Несоответствия знаков значимых трендов для основных сезонов также не обнаружено.

РЛПМЯ. ГПЛ.!

Рис.Э Многолетие трещь ЮЕэ дгч стннцнн Мос>еа

1 -трвцп ^РРЛНвГМЮВЫ* ГоЕ5

2 Н з - тренд ШДЧПННЙ IоЬг. аг.пегыш ы ппто н 1нрл¥. тастпетстпсннп

1ВИ 1ВВБ 1ЭТП I 1ВаС] 1 ПБ!| I НС

врни.годы

рнс-4 Мюгвлвтннетра^а ЮБ&длр тьдич Снераповск

1  ТрЛ1'|Л СрСЛШГПДОВНХ ПИП'-П-.-Н' 1п=-ь

?и 3 ~ии-14 14->1И 1пЕз вгделььп и ге-и и з-нму

амянгтямии.

Как следует из приведенных рисунков, во временном ходе рассмотренных параметров наблюдаются межгодовые вариации в соответствии с изменением уровня солнечной активности, однако их рассмотрение выходит за рамки данной работы. Подробно данные межгодовые вариации рассмотрены в [8].

На рис.5 приведено географическое расположение рассмотренных станций и указаны выделенные тренды (треугольники острием вверх - положительный тренд, острием вниз - отрицательный, для значимых трендов символы заполнены). Различие знака выделенных трендов для рассмотренных станций, предположительно, вызвано разным географическим положением станций на континентах - для станций, расположенных в центральной Европе, преобладает положительный тренд, а для станций, расположенных в северной части Европы и в глубине континента -отрицательный. Данному предположению не соответствует станция № 11 (Свердловск), которая расположена в глубине континента и в параметрах которой обнаружен значимый положительный тренд.

hu-, i I i'-ui рафычсовн jlol i u^+-:l-jili l- |i;icm0i|K'iiiii>i4 i iim.ih, iijovfg.tljihkii. jijiipjikji'tijtbw Bitpi - nwnmuuiji Tfc-ил, ншф.ипгшил isn -^щунЦтшнш, Тргуг^пнипыг. емгпшспунщш AlbuiIllliH Ii' ЗПЧНМЫЯ IjhL' ll.llJH - HLIIb/ltll'ILbl.

Заключение.

Таким образом, в отличие от ранее опубликованных результатов [3-4], обнаружена изменчивость знака тренда в параметрах слоя Es. На основе анализа по 20 ионосферным среднеширотным станциям северного полушария сделано предположение о том, что знак тренда, по-видимому, зависит от географического положения станции (для станций, расположенных на побережье, преобладает положительный тренд, а для станций, расположенных в глубине континентов -отрицательный), хотя не все результаты для рассмотренных станций с этим согласуются. Как показано в [5], подобные долговременные тренды не могут быть удовлетворительно объяснены изменениями в условиях и методах наблюдений. Полученный для станций северного полушария результат дополняет проделанные ранее исследования, но данная проблема нуждается в дальнейшем изучении на большем количестве станций обеих полушарий и на большем временном отрезке.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 01-05-65251.

Список литературы.

1. Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Региональные особенности многолетних вариаций аэрономических характеристик среднеширотной верхней атмосферы. // Доклады академии наук, 1996, T.346, № 6, С.808.

2. Выборнов Ф.И., Крупеня Н.Д., Митякова Э.Е и др. Морфологические особенности перемещающихся возмущений в ионосфере средних широт. Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Нижний Новгород, 2002, С.40.

3. Аннакулиев С.К., Деминов М.Г., Деминов Р.Г. Климатические изменения критической частоты Б2-слоя ионосферы средних широт. Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Нижний Новгород, 2002, С.147.

4. Деминов М.Г., Ситнов Ю.С. Зависимость климатических изменений Е-слоя ионосферы от солнечной активности. Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Нижний Новгород, 2002, С.149.

5. Baggaley W.J. Ionosphere sporadic-E parameters : long-term trends. // Science, 1984, V.225, № 4664. P.830.

6. Baggaley W.J. Changes in the frequency distribution of foEs and fbEs over two solar cycles. // Planet. And Space Sci, 1985, V.33, № 4, P.457.

7. Ковалевская Е.М., Шлионский Ш.Г. Алгоритмы расчета максимальных применимых частот (МПЧ), наименьших применимых частот (НПЧ) и напряженности поля (Е) коротковолновой радиосвязи. Изд. АН СССР, ИЗМИРАН, 1963, 168 С.

8. Maksyutin S.V, Sherstyukov O.N., Fahrutdinova A.N. Dependence of sporadic layer E and lower thermosphere dynamics on solar activity //Adv. Space Res. 2001. V.27, N.6-7, P. 1265-1270.