Перемещающиеся ионосферные возмущения по данным вертикального зондирования ионосферы на северо-востоке России

дольное магнитное поле на оси; В* - фоновое продольное магнитное поле; г0 - характерный масштаб.

Выводы

Несмотря на то, что основная часть магнитных облаков, наблюдаемых в межпланетном пространстве, по-видимому, связана с прохождением ударных волн, на наш взгляд, существуют условия при которых могут наблюдаться бессиловые структуры без градиента давления. Анализ полученного решения теоретически указывает на такую возможность. Следует отметить, что решений, подобных приведенному выше, может быть сколь угодно много и вопрос о реализации конкретного решения требует дальнейшего исследования. С другой стороны, само существование компактных бессиловых структур в межпланетной среде открывает новые возможности в изучении динамики солнечной короны.

Литература

1. Burlaga L.F., E. Sittler, F. Mariani and R. Schwenn. Magnetic loop behind an interplanetary shock: Voyager, Helios and IMP 8 observation // J. Geophys. Res. - 1981. - V.86. - P. 6673-6684.

2. Bothmer V., R. Schwenn. The structure and origin of magnetic clouds in the solar wind // J. Geophys. Res. -1999. - V.104. - P. 1-24.

3. Klein L.W. and L.W. Burlaga. Interplanetary magnetic clouds at 1 AU // J. Geophys. Res. - 1982. - V. 87.

- P. 613-624.

4. Burlaga L.F. andK. W. Behannon. Magnetic clouds: Voyager observations between 2 and 4 AU // Sol. Phys.

- 1982. - V.81. - P.181.

5. Burlaga L.F. Magnetic clouds, in Physics of the Inner Heliosphere. - V. II, Ed. R.Schwenn and E. Marsch. - Berlin, Heidelberg: Springer -Verlag, 1991. - P. 1 - 22.

6. Zhang G. and L.F. Burlaga Magnetic clouds, geomagnetic disturbances and cosmic ray de-creases // J. Geophys. Res. - 1988. - V. 93. - P. 2511-2518.

7. Wilson R.M. Geomagnetic response to magnetic clouds // Planet. Space Sci. - 1987. - V. 35. - P. 329 -335.

8. Tsurutani В.Т., W.D. Gonsalez, F. Tang and Y.T. Lee. Great magnetic storms // Geophys. Res. Lett. -1992. - № 9. - P.73-76.

9. Bothmer V. Die Strukturmagnetischer Wolken in Sonnenwind-Zusammen Einfluss auf dieMagnetosphare der Erde. Ph.D Thesis, University Gottingen, 1993.

10. Bothmer V. and R. Schwenn. The interplanetary and causes of major geomagnetic storms // J. Geomagn. Geoelectr. - 1995. - V. 47. - P.1127-1132.

11. Захаров Л.Е., Шафранов В.Д. Равновесие плазмы с током в тороидальных системах // Вопросы теории плазмы. Вып. 1. - М.,1982. - С. 118-235.

12. Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики. - М.: Наука, 1966. - 408 с.

13. Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. - М.: Мир, 1980. - 339 с.

14. Шлютер А. Бессиловые магнитные поля II // Управляемые термоядерные реакции. Вып. 26. - М.: Атомиздат, 1990. - С. 215-225.

15. Вайнштейн С.И., Быков А.М., Топтыгин И.Н. Турбулентность, токовые слои и ударные волны в космической плазме. - М.: Наука, 1989. - 311 с.

16. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. - М.: Наука, 1968. - 344 с.

Поступила в редакцию 15.02.2014

УДК 550.388.2

Перемещающиеся ионосферные возмущения по данным вертикального зондирования ионосферы на северо-востоке России

А.Е. Степанов, Л.Д. Филиппов, К.Г. Ратовский

Сеть ионосферных станций на северо-востоке России (в Якутске, Жиганске, Норильске и Тикси), вытянутая примерно с L=3 до 6, является удобным инструментом для исследования динамики и структуры авроральной и субавроральной ионосферы. В данной работе проведено изучение параметров и характеристик высокоширотных перемещающихся ионосферных возмущений. Идентификация перемещающихся ионосферных возмущений проводится по характерным ^следам, т.е. дополнительным следам на ионограммах вертикального радиозондирования, которые являются ионосферным признаком ПИВ. Проанализированы данные ионозондов за ряд лет и приведена статистика регист-

СТЕПАНОВ Александр Егорович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИКФИА СО РАН, a_e_stepanov@ikfia.sbras.ru; ФИЛИППОВ Ленгвард Дмитриевич - к.ф.-м.н., вед. инженер ИКФИА СО РАН, l.d.filippov@ikfia.sbras.ru; РАТОВСКИИ Константин Геннадьевич - к.ф.-м.н., в.н.с. Института солнечно-земной физики СО РАН, ratovsky@iszf.irk.ru.

раций ПИВ. По ионосферным данным также просчитаны такие параметры как период волн, фазовая скорость и направление движения ПИВ. Показана зависимость регистрации ПИВ от уровня геомагнитной активности. Установлено, что допплеровский сдвиг частоты в F-слое может использоваться как дополнительный признак регистрации ПИВ над станцией наблюдения. Также приведены спектральные характеристики перемещающихся ионосферных возмущений по вариациям критических частот и высот слоя F. С увеличением геомагнитной активности спектр дневных перемещающихся ионосферных возмущений по критической частоте смещается в сторону больших периодов.

Ключевые слова: ионосфера, перемещающиеся ионосферные возмущения, ионозонд, ионограмма, дополнительные следы отражений, спектральные характеристики, допплеровское смещение частоты.

The network of ionospheric stations in the north-east of Russia, located in Yakutsk, Zhigansk, Norilsk and Tixie Bay, and extended from about L = 3 to 6, is a convenient tool for studying the dynamics and structure of the auroral and subauroral ionosphere. In this work the study of parameters and characteristics of high-latitude travelling ionospheric disturbances (TIDs) was conducted. Recognition of travelling ionospheric disturbances is identified by the characteristic U- traces, i.e. by additional traces on vertical sounding ionograms, which are a signature of ionospheric TIDs. Ionosonde data over several years are analyzed, and the statistics of TIDs-events is given. By using ionospheric data such parameters as wave period, phase velocity and direction of motion of the TIDs were calculated. The dependence of the TIDs registration from geomagnetic activity level is showed. It is found that the Doppler frequency shift in the F-layer can be used as an additional signature of the TIDs registration over observation station. The spectral characteristics of travelling ionospheric disturbances depending on the variations of critical frequencies and F-layer heights are presented. With increasing of geomagnetic activity the spectrum of daytime travelling ionospheric disturbances, on the critical frequency, is shifted to larger periods.

Key words: ionosphere, travelling ionospheric disturbances, ionosonde, ionogram, additional reflection traces, spectral characteristics, Doppler frequency shift.

Введение

Перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) уже давно известны как динамичная часть атмосферы на больших высотах. Ионосферные исследования ПИВ начались с пионерской работы Hines C.O. [1] и обнаруживаются такими радиофизическими методами как зондирование ионосферы ионозондами вертикального и наклонного радиозондирования, радарами некогерентного рассеяния, системами GPS, а также по регистрациям свечений ночного неба [2-6]. Различают три вида ПИВ: крупномасштабные (горизонтальные размеры от 300 до 1000 км, периоды от 0,5 до 3 час, фазовые скорости от 300 до 1000 м/ с), среднемасштабные (горизонтальные размеры от 100 до 300 км, периоды от 0,2 до 1 час, фазовые скорости от 100 до 300 м/ с) и мелкомасштабные (с параметрами меньшими, чем среднемасштабные). В периоды ПИВ выявлено распространение возмущения сверху вниз, что указывает на наклонность фронта распространения волны. ПИВ имеют различные источники и различные механизмы генерации. Так источниками могут являться геофизические возмущения в авроральной области, взрывы и землетрясения большой мощности, а также метеорологические явления. Следует отметить, что большинство проведенных исследований касаются экваториальной и среднеширотной ионо-

сферы. Несмотря на многолетние исследования ПИВ, многие вопросы их генерации и динамики все еще не получили должного объяснения.

Методика эксперимента и статистические результаты

В данном исследовании использовались данные высокоширотных ионосферных станций, координаты которых и применяемое на них оборудование приведены в таблице, а расположение станций проиллюстрировано на рис. 1. Все стан-

Название станции и оборудование Код Географические координаты Геомагнитные координаты L- пара- метр

широта, град долгота, град широта, град долгота, град

Тикси, Парус TX471 71,4 128,5 65,4 194,8 6,38

Норильск, DPS-4 NO369 69,4 88,1 64,0 159,8 5,83

Жиганск, DPS-4 ZH466 66,8 123,4 61,5 194,7 4,63

Якутск, DPS-4 YA462 62,0 129,6 56,4 201,3 3,45

* L-параметр - параметр, равный геоцентрическому расстоянию до точки пересечения силовой линии геомагнитного поля с экваториальной плоскостью (выражается в радиусах Земли).

Рис.1. Схематическая карта расположения ионосферных станций на северо-востоке России

ции оборудованы цифровыми ионозондами, диапазон зондирования от 1-го до 14 МГц, а интервал между зондированиями составляет 15 мин. На дигизондах DPS-4 [7], благодаря разнесенному приему отраженных от ионосферы радиосигналов, возможны измерения углов их прихода и допплеровского сдвига частоты, а цветовая кодировка сигналов позволяет определять его направление.

Одним из основных признаков регистрации ПИВ на ионограммах являются т.н. ^следы. Такие следы обычно появляются на высокочастотном концах обыкновенной и необыкновенной компонент следов отражений от области F [3,8]. Для обработки и анализа признаков ПИВ были выбраны 2005 г. - фаза спада 23-го солнечного цикла и 2011 г. - фаза роста 24-го цикла солнечной активности. Статистические результаты исследований приведены на рис. 2, где верхний ряд представляют данные за 2005 г., а нижний -за 2011 г. Слева направо, соответственно, общее количество случаев раздельно по станциям, распределение случаев по МЕГ сектору и по Кр-индексу. Выборка сделана по 15-минутным из-

мерениям вертикального зондирования. Следует отметить, что во время магнитовозмущенных периодов на высокоширотных станциях часто наблюдается поглощение радиоволн декаметро-вого диапазона и бывает затруднительно регистрировать признаки ПИВ на ионограммах. Из рисунка видно, что ^следы в основном регистрируются во время спокойных интервалов геомагнитной активности - около 85% приходятся на уровни ^ <= 3. Местное время регистрации признаков ПИВ приходится в большинстве случаев на интервал времени с 9 до 15 часов MLT -около 67%. Также отметим, что в 2011 г. резко возросло количество случаев наблюдений ^ следов, чем в 2005 г. Это, по-видимому, объясняется тем, что 2011 г. был спокойным относительно 2005 г. - среднемесячный индекс геомагнитной активности Кр в 2011 г. составлял 11,9, тогда как этот и индекс в 2005 г. был 17,2.

На рис. 3 приведены вариации критических частот слоя F во время наблюдения ПИВ 6 и 8 декабря 2005 г. по двум (Якутск, Жиганск - рис. 3,а) и трем (Якутск, Жиганск и Тикси - рис. 3,б) станциям соответственно. Стрелками указаны моменты времени, когда на ионограммах регистрировались U-следы: стрелки вниз - на ст. Якутск, стрелки вверх - на ст. Жиганск и Тикси. Принимая во внимание расстояние между Якутском и Жиганском за 620 км, измерения показывают следующие параметры ПИВ: квазипериод волн составляет ~45 мин, фазовые скорости ПИВ - около 230 м/ с и горизонтальные размеры неоднородности —310 км. Наблюдаемые за эти дни волновые возмущения соответствуют сред-немасштабным ПИВ.

Допплеровские сдвиги частоты на ионограм-мах дигизонда DPS-4 также могут дать инфор-

2005

Норильск

Жиганск

Якутск

Все станции

I

2011 Якутск

Жиганск

Норильск

Все станции

5004003002001000

Все станции

0 1 2 3 4 5

7 8 9

Все станции

12 15 18 21 24 3 Местное магнитное время, час

-I-1-—

2 3 4 5 Кр-индекс

6 7 8 9

Рис.2. Статистическое распределение случаев регистраций ПИВ за 2005 и 2011 гг.

и-спед

6 декабря 2005 г.

о'

I

о

Vе1' V;

.......I..........

1 •

?

I

. -о-о'

и-спед

• Якутск

о faF2 Жиганск

8 декабря 2005 г.

и-спед *,

лХ

, V) / • 7 /....................V'......О'

тО'

А

.1' ••».

9-л

У л

>

/л-'

и-спед

*

к

- №2 Якутск

О ЛзР2 Жиганск

а 1оР2 Тикси

1

3 4 5 6 7 Э 9 Мировое время, час Мировое время, час

Рис.3. Вариации критических частот й>Р2 за 6 (а) и 8 (б) декабря 2005 г.

10 9 8 7

§ 6

н

^ л

я 4 ЕГ

3 2 1

1 2 к* ^ \ «С , 4 \ 5

Л .'Г 1 . г 1 1 * \ ** 1 ЬМОООС^ Ч)

^ 1 * 1 * 'V'

| * 1 к 1 1 * ш

I к * 1 * И'и

а •и... . *

600

650

3" 30

450

350 ¿3

300

250

200

150

Период, мин

Мировое время, час

Рис. 4. Вариации параметров ионосферы и спектры мощности за 22 января 2012 г.

ЬТ

А Л 1 Л

.  . 1 1 . 1 1 1 1111)1111

№2

- . . . 1' г-М-1 -А  1 1 1 Г4-! 1 1 Г 1 1 1 г 1 Г 1

мацию о перемещающихся ионосферных возмущениях. Положительные и отрицательные смещения областей отражений при вертикальном зондировании на дигизондах БР8-4 имеют разные цветовые кодировки. Таким образом, можно визуально смотреть приближение (положительный ДСЧ) и уход (отрицательный ДСЧ) ионосферных структур относительно станции слежения.

Спектральные характеристики ПИВ по ионосферным данным

Для построения частотных спектров временных ходов йэР2 использовались интервалы, где четко наблюдались вариации критических частот. Анализ таких спектров показал, что спектральные составляющие, формирующие основной временной ход 1ЪР2, в Якутске и Жиганске одинаковы. Различия в спектрах начинаются с периодов ниже 250 мин, т.е. в диапазоне спектра ПИВ. Спектр ПИВ в Якутске смещен в более длиннопериодную часть относительно спектра в Жиганске. Для числового сравнения положения

спектров на оси частот определялась середина спектра ПИВ, вычисляемая как среднеарифметическое от значений периодов значимых пиков спектра. Для Якутска середина спектра равна 120 мин, а для Жиганска - 96 мин. Спектры в области волн ПИВ подобны, но по данным спектр Жиганска сдвинут в сторону низких частот.

Теперь рассмотрим спектры, полученные по вариациям критической частоты йэР2 и вариациям высоты ИТ, за конкретный день 22 января 2012 г. Вариации этих ионосферных параметров и полученные спектры приведены на рис. 4. Здесь также показаны предельные частоты и нижние высоты следов отражений от ПИВ.

Видно, что значимые пики спектров от вариаций 1ЪР2 и ИТ за анализируемый интервал времени совпадают. Этот факт говорит о том, что вариации ионосферы на высотах максимума и нижнего края Р2-слоя вызваны одним и тем волновым колебанием со средним периодом 88 мин. На рис. 5 показаны усредненные пики спектров мощности за отдельные дни, когда наблюдались длинные интервалы времени регистраций

ПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЯХ

04.0142

SKp=4- Якутск

0S.01.12

SKp-15

07.01.12

| i i SKp=12+ -Дп-г  1  1

О 20 40 60 80 100

Период, мин

Рис. 5. Спектры ПИВ при разных уровнях геомагнитной воз-мущенности

U-следов. SKp означает сумму Кр-индексов за интервал. Из рисунка видно, что с увеличением геомагнитных возмущений увеличивается и период колебаний в ионосфере.

Выводы

Исследование ионосферных признаков перемещающихся ионосферных возмущений по данным станций в северо-восточной части России показало, что:

• перемещающиеся ионосферные возмущения на высоких широтах в дневное время в большинстве случаев контролируются физическими явлениями, происходящими в области аврораль-ный овал / полярная шапка;

• и-следы в основном регистрируются во время спокойных интервалов геомагнитной активности - около 85% приходятся на уровни Кр <= 3; местное время регистрации признаков ПИВ приходится в большинстве случаев на интервал времени с 9 до 15 часов МЦГ - около 67%;

• средние фазовые скорости ПИВ около 200 м/с, периоды от 50 до 100 мин, а горизонтальные размеры 300-400 км;

• допплеровский сдвиг ионизации в F-слое может использоваться как дополнительный признак регистрации ПИВ над станцией наблюдения;

• с увеличением Кр спектр дневных перемещающихся ионосферных возмущений по критической частоте смещается в сторону больших периодов.

Работа поддержана грантом РФФИ №12-05-98518-р_восток_а.

Литература

1. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at atmospheric heights // Canad. J. Phys. - 1960. - V.38. -P.1441-1481.

2. Lobb R.J., Titheridge J.E. The effects of travelling ionospheric disturbances on ionograms // J. Atmos. and Terr. Phys. - 1977. - V.39. - P. 129-138.

3. Hunsucker R.D. Atmospheric gravity waves generated in the high latitude ionosphere: A review // Rev. Geophys. - 1982. - V.20. - P.293-315.

4. Носке К., Schlegel К. A review of atmospheric gravity waves and traveling ionospheric disturbances: 19821995 // Ann. Geophys. - 1996. - V.14. - P.917-940.

5. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Leonovich L.A. et al. Observation of large-scale traveling ionospheric disturbances of auroral origin by global GPS networks // Earth Planets Space. - 2000. - V.52. - P.669-674.

6. Fukushima D., Shiokawa K., Otsuka Y., Ogawa T. Observation of equatorial nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances in 630-nm airglow images over 7 years // J. Geophys. Res. - 2012. - V.117.

- A10324, doi:10.1029/ 2012JA017758.

7. Reinisch B.W., Haines D.M., Bibl K. et al. Ionospheric sounding support of OTH radar // Radio Sci.

- 1997. - V.32. - P.1681-1694.

8. Stepanov A.E., Filippov L.D., Sofronov S.K. Traveling ionospheric disturbances: data of meridional chain of ionosondes and model calculations // Proc. of the 9th Intern. Conf. «Problems of Geocosmos». SPb. - 2012. -P.405-409.

Поступила в редакцию 23.01.2014

УДК 550.380

Проявление эффекта землетрясений в магнитометрических наблюдениях

Е.Д. Бондарь, С.Е. Кобякова, Л.П. Шадрина

Обычно землетрясения регистрируются на сейсмографах, измеряющих амплитуду сейсмических волн. Представлены результаты сопоставления моментов регистрации землетрясений на сейсмограммах и данных магнитных измерений системы MAGDAS-9. Обнаружено, что возникновение силь-

БОНДАРЬ Елена Дмитриевна - к.ф.-м.н., м.н.с. ИКФИА СО РАН, р.т. (7914)272-68-50; КОБЯКОВА Саргылана Егоровна - м.н.с. ИКФИА СО РАН; ШАДРИНА Людмила Панкратьевна - к.ф.-м.н., в.н.с. АН РС (Я), Luschadr@mail. т.