CC BY
17
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2016. № 4(15). C. 56-62. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2016-15-4-56-62 ФИЗИКА
УДК 53.04:53.05
ВЛИЯНИЯ ЦИКЛОНОВ НАД КАМЧАТКОЙ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ИОНОСФЕРЕ
В. В. Богданов1, А. В. Кайсин1, А. А. Романов2
1 Институт космофозических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, 684034, с. Паратунка, ул. Мирная, 7.
2 ОАО "Российские космические системы 111250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 53
E-mail: [email protected]
В работе представлены результаты исследования влияния циклонов на параметры ионосферы. Наблюдение за состоянием ионосферы велось средствами автоматического зондирования с использованием низкоорбитальных навигационных космических аппаратов в условиях пониженной сейсмичности.
Ключевые слова: циклоны, ионосфера, распределение электронов
(с) Богданов В. В., Кайсин А. В., Романов А. А., 2016 PHYSICS
MSC 86A10
IMPACT OF CYCLONES OVER KAMCHATKA ON ELECTRON DISTRIBUTION IN THE IONOSPHERE
V. V. Bogdanov1, A.V. Kaysin1, A. A. Romanov2
1 Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS, 684034, Paratunka, Mirnaya str., 7, Russia
2 OAO "Russian Space Systems", 111250, Moscow, Aviamotornaya str, 53, Russian E-mail: [email protected]
The paper presents the results of investigation of cyclone impact on ionosphere parameters. Ionosphere state was observed by the automatic sounding equipment applying low-orbital navigational spacecrafts in the conditions of low seismicity.
Key words: cyclone, Ionosphere, electron distribution.
© Bogdanov V. V., Kaysin A. V., Romanov A. A., 2016
Введение
Камчатский регион расположен в области перехода от Азиатского континента к Тихому океану и характеризуется повышенной сейсмической активностью. Вся территория края находится в области 5-9 балльной зоны землетрясений (по 12-балльной шкале), и в этой связи, не последнее место занимает вопрос поиска предвестников катастрофических сейсмических событий с целью их прогнозирования. Известным фактом является связь процессов на Солнце и литосфере Земли с процессами в ионосфере, проявляющихся в виде регистрируемых предвестников (см., например, монографию [1] и, приведенные там же, ссылки на литературу). Однако регистрация надежного прогностического признака сейсмического события в поведении параметров ионосферы сталкивается с трудностями, которые связаны с тем, что атмосфера Земли, являясь открытой динамической системой, подвержена влиянию различных физических процессов, имеющих по отношению к ионосфере внешнее воздействие. Следовательно, вариации ионосферных параметров не могут быть в полной мере объяснены без учета влияния нижележащих слоев атмосферы. Поэтому физические процессы, формирующиеся в нижней и средней атмосфере, могут влиять на изменение параметров в вышележащих слоях, включая ионосферу. Возможно, что такие атмосферные явления, как циклоны, в той или иной степени, могут оказывать влияние на состояние ионосферы. А поскольку территория Камчатского края омывается Тихим океаном, Охотским и Беринговым морями, которые являются зонами повышенной циклонической деятельности, то Камчатку, при оснащении соответствующими измерительными комплексами, можно рассматривать как полигон по изучению влияния циклонической активности на процессы в ионосфере. К настоящему моменту уже был проведен определенный цикл работ, где исследовалось наличие связей между волновыми возмущениями в атмосфере и погодными условиями. Отмечались волнообразные возмущения в ионосферных параметрах во время прохождения штормов [2]. Были выявлены квазипериодические колебания во время прохождения сильных гроз [3]. В настоящий момент появились статьи, посвященные изучению возможного влияния тропических циклонов на разные слои ионосферы. Возмущения такого рода регистрировались различными способами. В период прохождения штормов с помощью измерений доплеровского сдвига частоты в ионосфере были выявлены средне-масштабные ПИВ с периодом около 20 минут [4]. С помощью ионозондов вертикального и наклонного зондирования было показано, что на расстоянии порядка 3-5 тысяч км от центра циклона наблюдалось изменение параметра /о^2 на 10-20% [5]. Авторы работ считают, что увеличение [6] или уменьшение [7] критической частоты /о^2 может быть связано с задержкой момента измерения относительно времени зарождения циклона. В работах [8, 9] были выявили временные интервалы усиления мощности спектра сигнала на определенных частотах. С помощью GPS-измерений [10] на стадии быстрого изменения мощности урагана было установлено увеличение на 20-30% активности акустико-гравитационных волн (АГВ). Однако есть публикации, где отклик ионосферы не обнаружен [11]. В данной работе на примере зимних и весенних циклонов продолжен цикл исследований влияния тропосферных возмущений на поведение параметров ионосферы. В исследовании использовались данные, полученные методом томографического зондирования с помощью цепочки томографических станций, расположенных на п-ве Камчатка. Отличительной особенностью этой работы является расположение приемных станций томографического зондирования в районе действия циклонов.
Описание метода
Радиотомографическое зондирование ионосферы проводится над территорией п-ова Камчатка с помощью лучевой радиотомографии. Задачи лучевой радиотомографии решаются на практике с помощью ИСЗ и нескольких приемников. Несколько станций приема навигационного сигнала располагаются на поверхности Земли в плоскости, которая соответствует углу наклона плоскости орбиты спутников. В случае использования космических систем типа «Цикада/Транзит», наклонение орбиты которых составляет 83° — 90° градусов, наземные приемные станции навигационных сигналов должны располагаются в меридиональном направлении. На земле по приведенным фазам сигналов с частотами 150 и 400 МГц можно рассчитать электронное содержание на пути распространения навигационного сигнала. За время пролета спутника над развернутой системой наземных станций проводится серия измерений, при этом для каждой станции приема навигационного сигнала, и определяется
TEC = I Neds (1)
Jp
, (где TEC - полное электронное содержание вдоль пути распространения сигнала между источником и приемником p, Ne - электронное содержание), на элементе пути распространения ds, после этого проводится реконструкцию томографического разреза ионосферы, путем решения обратной задачи [12, 13]. На рис. 1 представлена схема реализации метода томографического зондирования ионосферы, позволяющего восстановить электронную концентрацию в верхней атмосфере. В качестве источников когерентного сигнала используются низкоорбитальные навигационные спутники типа "Космос что позволяет восстановить вертикальное распределение концентрации вдоль трассы пролета спутника с хорошим разрешением (25 км по высоте и 50 км по широте). Наземные приемники сигналов расположены в селах Паратунка (Par), Мильково (Ml), Эссо (Ess) в субмеридиональном направлении (158°31 в.д.). Приемные станции работают в автоматическом режиме.
Рис. 1. Схема расположения станций приема и распространения зондирующего сигнала.
Анализ экспериментальных результатов
Для исследования отклика ионосферы были отобраны циклоны, прошедшие над Камчаткой за период с января 2012 по февраль 2014гг. (см. Таблицу 1) в услови-
ях спокойной и умеренно спокойной магнитной обстановки (K < 17). В период их прохождения в камчатском регионе отсутствовали сильные землетрясения и сейсмический режим соответствовал фоновому. Это дает возможность надеяться, что если существуют эффекты влияния циклонов на ионосферу, то это влияние не будет замаскировано процессами, происходящими в литосфере сейсмоактивного региона. В левой половине Таблицы 1, обозначенной как "День с циклоном приведены дата его прохождения, время пролета спутника (UT), суммарный на эту дату трехчасовой индекс магнитной активности (K) по магнитной станции "Паратунка". Во второй половине таблицы ("День без циклона") представлена информация ближайшего к циклону опорного дня, по отношению к которому для сравнения определялось меридиональное распределение электронов. Время пролета спутника в опорный день выбиралось максимально близким ко времени пролета в день циклона.В качестве примера на рис. 2 представлены синоптические карты и томограммы субмеридионального распределения электронов по высоте для двух дней с циклоном (18.01.2013) с циклоном и без него (12.01.2013). На томограммах по оси абсцисс отложена широта в градусах и обозначены станции приема спутниковой информации Par,Ml,Ess, по оси ординат высота в км. Справа от томограммы приведена шкала распределения концентрации электронов. Томограммы снимаются в интервале широт 48.01° — 61.52° с.ш.
Таблица 1
День с циклоном День без циклона
Дата Время проле- Суммарный Дата Время проле- Суммарный
та спутника, K-индекс та спутника, K-индекс
UT UT
13.01.2012 15:10 9 09.01.2012 15:06 10
01.04.2012 12:49 14 29.03.2012 12:32 4
18.01.2013 16:00 16 12.01.2013 16:20 2
03.02.2013 18:09 7 31.01.2013 18:32 1
17.02.2013 12:33 17 12.02.2013 13:07 9
18.02.2013 09:20 5 15.02.2013 09:46 7
31.01.2014 14:15 0 25.01.2014 14:40 13
05.02.2014 17:05 9 25.01.2014 17:33 13
В Таблице 2 представлены максимальные значения концентрации электронов для трех выбранных широт 48.01° с.ш., 52.96° с.ш. и 61.52° с.ш. для рассматриваемого циклона и соответствующего опорного дня.
Таблица 2
Максимальное значение концентрации электронов ионосферы, el/m3 (xlO11 )
Пролет спутника/ Широта 48.01° с.ш. 52.96° с.ш. 61.52° с.ш.
12.01.2013; 16:20 UT 1,0287 0,9313 1,0287
18.01.2013; 16:00 UT 2,9366 1,2030 0,1486
Рис. 2. Циклон 18.01.2013 год. а) Синоптическая карта соответствует 12 иТ. Ветер восточного направления достигал 30 м/с на высоте 5 км. Эпицентр циклона располагался в южной части полуострова на ~ 48° с.ш. (12 иТ) Ь) 18.01.2013 г. в 16:00 иТ наблюдается турбулизация ионосферной плазмы с ярко выраженным плазменным образованием в интервале широт 48°- 49° с.ш. и высот 290-350 км с ростом широты (12.01.2013 г. - опорный день).
Рис. 3. Разрез распределения плотности электронов в ионосфере для циклона за 18.01.2013 г. в 16:00 иТ (04:00 ЬТ) (сплошная линия) для трех широт в сравнении с опорным днем 12.01.2013 г. (пунктирная линия).
Заключение
Проведенный анализ развития циклонов показал, что:
• Для пяти из восьми циклонов наблюдается превышение концентрации электронов по сравнению с опорными днями вблизи центра циклона.
• Наибольшая турбулизация ионосферы происходит непосредственно над областью расположения центра циклона, что характеризуется резкими градиентами в распределении электронов.
• Изменение концентрации электронов ионосферы может быть объяснено за счет переноса механического импульса нижележащих слоев ионосферы и нейтральной атмосферы [14] на высоты Р-слоя и влиянием АГВ, генерируемых циклоном.
• Необходимо проводить дальнейшие исследования влияния циклона на ионосферу для набора статистики, построения соответствующих физических моделей и выяснения механизма передачи импульса вихревого движения циклона на ионосферные высоты.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №11-05-00915, по Программе президиума РАН №12-1-П22-01 и целевой программе ДВО РАН "Спутниковый мониторинг Дальнего Востока для проведения фундаментальных научных исследований ДВО РАН"
Список литературы
[1] Пулинец С.А. и др., Прогноз землетрясений возможен?!, Тровант, М., 2014, 144 с.; English transl.:Pulinets S.A. et al., Prognoz zemletryaseniy vozmozhen?!, Trovant, M., 2014 (in Russian), 144 pp.
[2] Baker Donald M., Davies Kenneth, "Ionospheric Effects Observed around the Time of the Alaskan Earthquake of March 28, 1964", Journal of Geophysical Research, 70:9 (1965), 2251-2253.
[3] Prasad S.S., Schneck L.J., Davies K., "Ionospheric disturbances by severe tropospheric weather storms", Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 37 (1975), 1357-1363.
[4] Xiao Z. et al, "Morphological features of ionospheric response to typhoon", Journal of Geophysical Research. Space Physics, 112:A4 (2007), A04304.
[5] Ванина-Дарт Л.Б., Романов А.А., Шарков Е.А., "Влияние тропического циклона на верхнюю ионосферу по данным томографического зондирования над о-вом Сахалин в ноябре 2007 г.", Геомагнетизм и аэрономия, 51:6 (2011), 790-798; English transl.:Vanina-Dart L. B., Romanov A. A.,Sharkov E. A, "Influence of a tropical cyclone on the upper ionosphere according to tomography sounding data over Sakhalin Island in November 2007", Geomagnetism and Aeronomy, 51:6 (2011), 774—782.
[6] Rice D.D. et al., "Typhoon Melor and ionospheric weather in the Asian sector: A case study", Radio Science, 47:4 (2012).
[7] Liu Y.-M., Wang J.-S., Suo Y.-C., "Effects of typhoon on the ionosphere", Adv. Geosci., 29 (2006), 351—360.
[8] Михайлов Ю.М. и др., "Возможные атмосферные эффекты в нижней ионосфере по наблюдениям атмосферных радиошумов на Камчатке во время тропических циклонов", Геомагнетизм и аэрономия, 45:6 (2005), 824-839; English transl.:Mikhailov Yu.M. et al., "Possible atmospheric effects in the lower ionosphere according to atmospheric radio noise observations on Kamchatka during tropical cyclones", Geomagnetism and Aeronomy, 45:6 (2005), 778-792.
[9] Черниговская М.А. и др., "Исследование связи короткопериодных временных вариаций параметров ионосферы в Северо-Восточном регионе России с проявлениями тропических циклонов", Исследование Земли из космоса, 2010, №5, 32—41; English transl.:Chernigovskaya M.A. et al., "Issledovanie svyazi korotkoperiodnykh vremennykh variatsiy parametrov ionosfery v Severo-Vostochnom regione Rossii s proyavleniyami tropicheskikh tsiklonov", Issledovanie Zemli iz kosmosa, 2010, №5, 32—41 (in Russian).
[10] Захаров В.И., Куницын В.Е., "Региональные особенности атмосферных проявлений тропических циклонов по данным наземных GPS-сетей", Геомагнетизм и аэрономия, 52:4 (2012), 1-13; English transl.:Zakharov V.I., Kunitsyn V.E, "Regional features of atmospheric manifestations of tropical cyclones according to ground- based GPS network data", Geomagnetism and Aeronomy, 52:4 (2012), 533-545.
[11] Afraimovich E.L. et al, "Variations in the total electron content during the powerful typhoon of August 5-11, 2006, near the southeastern coast of China", Geomagnetism and Aeronomy, 48:5 (2008), 674—679.
[12] Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., "Фазоразностная томография ионосферы", Геомагнетизм и аэрономия, 32:1 (1992), 104-110; English transl.:Andreeva E.S., Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., "Fazoraznostnaya tomografiya ionosfery", Geomagnetizm i aeronomiya, 32:1 (1992), 104-110 (in Russian).
[13] Романов А.А. и др., "Современные подходы к созданию автоматизированной системы регистрации ионосферных предвестников землетрясений по спутниковым данным", Космонавтика и ракетостроение, 2006, № 1, 167-172; English transl.:Romanov A.A. et al, "Sovremennye podkhody k sozdaniyu avtomatizirovannoy sistemy registratsii ionosfernykh predvestnikov zemletryaseniy po sputnikovym dannym", Kosmonavtika i raketostroenie, 2006, № 1, 167-172 (in Russian).
[14] Данилов А.Д. и др., Метеорологические эффекты в ионосфере, Гидрометеоиздат, Л., 1987; English transl.:Danilov A.D. et al., Meteorologicheskie effekty v ionosfere, Gidrometeoizdat, L., 1987 (in Russian).
Для цитирования: Богданов В. В., Кайсин А. В., Романов А.А. Влияния циклонов над Камчаткой на распределение электронов в ионосфере // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2016. № 4(15). C. 56-62. DOI: 10.18454/2079-6641-2016-15-4-56-62
For citation: Bogdanov V. V., Kaysin A.V., Romanov A.A. Impact of cyclones over Kamchatka on electron distribution in the ionosphere, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2016, 15: 4, 56-62. DOI: 10.18454/2079-6641-2016-15-4-56-62
Поступила в редакцию / Original article submitted: 23.06.2016
