CC BY
137
УДК 550.510.535
П. А. Васильев, А. И. Клопова, К. А. Артеменко, Д. В. Калугин,
М. В. Клименко, А. Т. Карпачев, В. В. Клименко, К. Г. Ратовский,
Н. А. Коренькова, А. Ю. Белинская, А. Е. Степанов
ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ ОПИСАНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ЗИМНЕГО НОЧНОГО ГЛАВНОГО ИОНОСФЕРНОГО ПРОВАЛА В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Аннотация
Представлено сравнение результатов эмпирической модели зимнего ночного главного ионосферного провала (ГИП), разработанной в ИЗМИРАН, с международной справочной моделью ионосферы IRI (International Reference Ionosphere) и данными наблюдений на трех широтных цепочках станций в различных долготных секторах (североамериканском, европейском и сибирском) северного полушария в минимуме солнечной активности. Отмечаются преимущества использования эмпирической модели ГИП по сравнению с моделью IRI для описания поведения электронной концентрации в F-области субавроральной ионосферы.
Ключевые слова:
главный ионосферный провал, Р2-слой, ионосфера, foF2, распространение радиоволн.
P. A. Vasiljev, A. I. Klopova, K. A. Artemenko, D. V. Kalugin,
M. V. Klimenko, A. T. Karpachev, V. V. Klimenko, K. G. Ratovsky,
N. A. Korenkova, A. Yu. Belinskaya, A. E. Stepanov
CHECKING OF THE ADEQUATE DESCRIPTION BY EMPIRICAL MODELS OF THE WINTER NIGHTTIME MAIN IONOSPHERIC TROUGH DURING SOLAR ACTIVITY MINIMUM
Abstract
It is presented a comparison of the results of an empirical model of the winter nighttime main ionospheric trough (MIT) developed in IZMIRAN with International Reference Ionosphere (IRI) model and observations on three latitudinal chain of stations in different longitudinal sectors (North American, European and East Siberian) in Northern Hemisphere during solar activity minimum. It has been shown and discussed the advantages of using of the MIT empirical model compared with the IRI model for describing the behavior of the electron density in the F region of sub-auroral ionosphere.
Keywords:
main ionospheric trough, F2 layer, ionosphere, foF2, radiowave propagation. Введение
Изучение динамики высокоширотной ионосферы является актуальным разделом геофизики, имеющим большое прикладное значение, особенно для России. Распределение и динамика различных ионосферных параметров, в частности электронной концентрации, на авроральных и субавроральных широтах оказывают влияние на условия прохождения радиосигналов, что важно для работы систем связи воздушных и морских судов, а также геопозиционирования. Увеличение темпов развития программ по освоению Арктики и наметившийся рост в использовании высоких широт для перевозки
163
пассажиров воздушным транспортом придают большое значение решению задачи моделирования динамики высокоширотной ионосферы и делают решение этой задачи одним из приоритетных направлений исследований ионосферы в России.
Главный ионосферный провал (ГИП), расположенный между среднеширотной и высокоширотной ионосферой и наблюдающийся преимущественно зимой в ночные часы, представляет собой структуру, в которой имеет место резкое понижение электронной концентрации в узком интервале субавроральных широт вблизи экваториальной границы аврорального овала. ГИП оказывает существенное влияние на все ионосферные параметры, так как отклонение электронной концентрации от среднего значения может достигать одного порядка. Форма и локализация ГИП являются предметом интенсивных исследований, поскольку эти характеристики существенно влияют на надежность радиосвязи на субавроральных и высоких широтах: ведь именно появление ГИП является одной из основных причин срыва радиосвязи на таких трассах (см., например, [1]).
Широко распространённая на сегодняшний день международная справочная модель IRI (International Reference Ionosphere), основанная на обобщении данных наземного и спутникового зондирования ионосферы, а также нескольких радаров некогерентного рассеивания [2], недостаточно точно описывает динамику и широтнодолготную структуру распределения ионосферных параметров в высоких широтах [3, 4], так как в модели IRI структура ГИП специально не выделяется. Единственной из разработанных до настоящего времени эмпирических моделей, в которой приближенно отражена конфигурация ГИП, является Справочная модель ионосферы (СМИ) [5]. К сожалению, эта модель является в настоящий момент труднодоступной для широкого использования, в том числе и для авторов настоящей работы. В данной работе приведены результаты тестирования модели ГИП [6], разработанной в ИЗМИРАН. Эта модель может быть использована для долгосрочного прогноза поведения субавроральной ионосферы.
Методы и подходы
В основе модели ГИП лежат данные спутников «Космос-900», «Интеркосмос-19» и CHAMP. К настоящему моменту модель позволяет описать распределение критической частоты ^2-слоя зимней ионосферы, foF2, на всех долготах в ночные часы (с 18:00 до 06:00 LT) для спокойных геомагнитных условий (^р=2) в диапазоне широт от 45 ° до 75 ° северной широты и от 40 ° до 80 ° южной широты при любом уровне солнечной активности (F10.7 от 70 до 200). Модель недавно была размещена на веб-сайте ИЗМИРАН (http://www.izmiran.ru/ionosphere/sm-mit/) и в настоящее время находится на стадии обновления. В рамках настоящей работы проводилось тестирование модели ГИП путем ее сравнения с моделью IRI и данными наблюдений. Для сравнения был выбран зимний период спокойных геомагнитных условий 20092010 гг., соответствующий низкому уровню солнечной активности F107=80. Проведено усреднение данных наблюдений по 28-дневному интервалу с 12 декабря 2009 г. по 7 января 2010 г. В качестве источников данных наблюдений были выбраны несколько ионозондов на трех широтных цепочках станций: североамериканской (Millstone Hill (43 ° с. ш., 288 ° в. д.), Goose Bay (53 ° с. ш., 300 ° в. д.), Sondrestrom (67 ° с. ш., 309 ° в. д.), Thule (76 ° с. ш., 297 ° в. д.)), европейской (Калининград (55 ° с. ш., 21 ° в. д.), Tromso (70 ° с. ш.,
164
19 ° в. д.)) и восточносибирской (Иркутск (52 ° с. ш., 105 ° в. д.), Новосибирск (55 ° с. ш., 82 ° в. д.), Якутск (62 ° с. ш., 130 ° в. д.), Норильск (69 ° с. ш., 88 ° в. д.)). Значения foF2 по данным ионозондов на территории России были получены посредством ручной обработки ионограмм, а значения foF2 для североамериканских и европейской станций были взяты нами с помощью двух интернет-ресурсов: SPIDR (http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr) и GAMBIT (http://giro.uml.edu/GAMBIT), на которых представлены результаты автоматической обработки ионограмм. Результаты расчетов по модели IRI были получены с помощью онлайн-версии модели IRI-2012 (http ://omniweb .gsfc .nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html).
Результаты
Результаты сравнения двух моделей с данными наблюдений приведены ниже в виде суточных вариаций foF2 (рис.1) и широтных разрезов foF2 в различных долготных секторах для каждой выбранной цепочки станций в различные моменты местного времени (рис.2-4).
по данным наблюдений (синие линии)
и с использованием модели IRI (красные линии) и модели ГИП (чёрные ромбы)
165
Рис.2. Широтные профили foF2, полученные по данным наблюдений на станциях Калининград и Tromso (синие кружки) и с использованием моделей IRI (красные линии) и ГИП (чёрные линии) на 20° в. д
Рис.3. То же, что и на рис.2, на 105 ° в. д.
Кружками показаны данные наблюдений на станциях Иркутск, Якутск и Норильск
166
Рис.4. То же, что и на рис.2, на 60 ° з. д. Кружками показаны данные наблюдений, полученные на станциях Millstone Hill, Goose Bay, Sondrestorm и Thule
Ночные значения foF2, полученные в модели ГИП, лучше соответствуют суточной вариации, полученной по данным наблюдений, чем по результатам модели IRI. Следует заметить, что это справедливо не только для станций восточносибирской и европейской цепочек, но и для североамериканских станций, которые в свое время легли в основу модели IRI. Несмотря на некоторое снижение точности модели ГИП при описании значений foF2 на североамериканских станциях, значения foF2, полученные в модели ГИП, ближе к данным наблюдений, чем в модели IRI и лучше воспроизводят морфологию суточного хода в неосвещенное время на отдельно взятых субавроральных и высокоширотных станциях.
Из приведенных широтных профилей foF2 видно, что модель ГИП лучше согласуется с наблюдениями, чем модель IRI. Особенно ярко это проявляется в области экваториальной стенки главного ионосферного провала, которая четко проявляется в модели ГИП и по данным наблюдений, но практически отсутствует в модели IRI. В результатах, полученных по модели ГИП, в отличие от модели IRI, также четко проявляется полярная стенка провала и полярный пик, что согласуется с известными основными морфологическими особенностями распределения электронной концентрации в F-области высокоширотной ионосферы [7]. К сожалению, эту особенность невозможно проверить по данным наблюдений для большинства цепочек станций в связи с отсутствием достаточного количества высокоширотных станций. Единственными долготами, на которых имеется достаточное количество данных наблюдений в высокоширотной области, является американский долготный сектор. При этом в данных наблюдений четко проявляется полярная стенка провала и полярный пик, что очевидным образом согласуется с результатами расчетов модели ГИП. Можно также отметить наилучшее согласие результатов расчетов модели ГИП с данными наблюдений с 20:00 до 02:00 LT.
167
Кроме того, немаловажной особенностью в поведении ГИП является зависимость его формы и глубины от рассматриваемой географической долготы. Эта зависимость практически отсутствует в результатах расчетов по модели IRI. Модель же ГИП четко выявляет основные особенности долготной зависимости экваториальной стенки и глубины провала. Так, в восточносибирском и европейском долготных секторах экваториальная стенка ГИП занимает очень большую область широт и достаточно пологая, а в американском долготном секторе ГИП проявляется менее четко. В дальнейшем планируется провести более детальное сравнение основных характеристик ГИП в зависимости от долготы и местного времени, полученных по данным наблюдений и по моделям IRI и ГИП. Также необходимо провести исследование влияния солнечной активности на форму и положение ГИП на разных долготах.
Заключение
Проведено тестирование эмпирической модели ГИП для зимних ночных условий в северном полушарии для минимума солнечной активности. Показано, что модель ГИП более корректно, по сравнению с моделью IRI, описывает широтную структуру субавроральной и высокоширотной ионосферы и зависимость конфигурации ГИП от долготы. Медианная модель ГИП построена для типичных средних геомагнитных условий и предназначена, в первую очередь, для долгосрочного прогноза ионосферы субавроральных широт. Эта модель применима для любого уровня солнечной активности и размещена на веб-сайте ИЗМИРАН (http://www.izmiran.ru/ionosphere/sm-mit).
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 14-0500788 (Карпачев А. Т., Ратовский К. Г.) и №15-35-20364 (Клименко М. В., Клименко В. В.). Работа проводилась в рамках проекта "Физические механизмы формирования реакции верхней атмосферы и ионосферы на процессы в нижней атмосфере и на поверхности Земли" (Государственное задание Министерства образования и науки РФ, конкурсная часть, задание № 3.1127.2014/К).
Литература
1. Благовещенский Д. В., Жеребцов Г. А. Высокоширотные геофизические явления и прогнозирование ВЧ радио каналов. М.: Наука, 1987. 130 с.
2. Bilitza D., Reinisch B. International reference ionosphere 2007: Improvements and new parameters // Adv. Space Res. 2008. Vol. 42, № 4. P. 599-609, doi:10.1016/j.asr.2007.07.048.
3. E-region ionospheric storm on May 1-3, 2010: GSM TIP model representation and suggestions for IRI improvement / F. S. Bessarab, Yu. N. Korenkov, V. V. Klimenko, M. V. Klimenko, Y. Zhang // Adv. Space Res. 2015. Vol. 55, № 8. P. 2124-2130.
4. Spatial features of Weddell Sea and Yakutsk Anomalies in foF2 diurnal variations during high solar activity periods: Interkosmos-19 satellite and ground-based ionosonde observations, IRI reproduction and GSM TIP model simulation / M. V. Klimenko, V. V. Klimenko, A. T. Karpachev, K. G. Ratovsky, A. E. Stepanov // Adv. Space Res. 2015. Vol. 55, № 8. Р. 2020-2032.
5. Глобальная эмпирическая модель распределения концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов в ионосфере / Ю. К. Часовитин,
168
A. В. Широчков, А. С. Беспрозванная, Т. Л. Гуляева, П. В. Денисенко,
О. А. Арменская, С. Е. Иванова, А. И. Каширин, Н. М. Клюева, Е. А. Корякина, Л. С. Миронова, Т. Н. Сыкилинда, В. Б. Шушкова, В. И. Водолазкин,
B. В. Соцкий, Н. Е. Шейдаков // Ионосферные исследования. 1988. № 44. С. 6-15.
6. Модель зимнего ночного главного ионосферного провала для различных уровней солнечной активности / А. Т. Карпачев, В. В. Клименко, М. В. Клименко, Л. В. Пустовалова // Proceedings of the 38th Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena” (Apatity, 2-6 March 2015.). Apatity, 2015.
7. Деминов М. Г., Карпачев А. Т. Долготный эффект в конфигурации главного ионосферного провала. 2. Форма провала // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 4. С. 682-684.
Сведения об авторах Васильев Павел Анатольевич,
аспирант, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, pvasiliev93@gmail.com
Клопова Анастасия Игоревна,
студентка, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, nasta_313@mail. ru
Артёменко Кристина Андреевна,
студентка, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, temka2501@mail.ru
Калугин Денис Вадимович,
студент, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, kalugindns@gmail.com
Клименко Максим Владимирович,
к.физ.-мат.н., старший научный сотрудник, Западное отделение ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова, г. Калининград; доцент, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, maksim.klimenko@mail.ru
Карпачев Александр Трофимович,
д.физ.-мат.н., руководитель лаборатории физики и моделирования ионосферы, ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова, г. Троицк, Московской обл., karp@izmiran.ru
Клименко Владимир Викторович,
к.физ.-мат.н., ведущий научный сотрудник, Западное отделение ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова, г. Калининград, vvk_48@mail.ru
Ратовский Константин Геннадьевич,
к.физ.-мат.н., ведущий научный сотрудник, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, ratovsky@iszf.irk.ru
Коренькова Нина Алексеевна,
младший научный сотрудник, Западное отделение ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова, г. Калининград, wdizmiran@gmail.com
Белинская Анастасия Юрьевна,
к.физ.-мат.н., ведущий научный сотрудник, Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, г. Новосибирск, anbell@ngs.ru
Степанов Александр Егорович,
к.физ.-мат.н., старший научный сотрудник, Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН, г. Якутск, a_e_stepanov@ikfia.ysn.ru
169
