Исследование временных вариаций ионосферных параметров в

Исследование временных
вариаций ионосферных
параметров в регионе Сибири
и Дальнего Востока
Черниговская М.А.1, Шарков Е.А.2, Куркин В.И.1,
Орлов И.И.1, Покровская И.В.2
Институт солнечно-земной физики СО РАН
2 Институт космических исследований РАН
1
Одним из основных инструментов
радиофизических исследований,
проводимых в Отделе физики
атмосферы, ионосферы и
распространения радиоволн
ИСЗФ СО РАН
является пространственнораспределенный ЛЧМионозонд, работающий в
режимах вертикального (ВЗ),
наклонного (НЗ) и возратнонаклонного зондирования (ВНЗ).
Цель работы:
Исследование короткопериодных временных
вариаций максимальных наблюдаемых частот
(МНЧ) односкачковых сигналов наклонного
зондирования, вызванных изменениями
параметров верхней ионосферы вдоль
среднеширотной трассы Магадан-Иркутск
в ноябре 2005 г.
Вид ионограммы наклонного зондирования
30
20
10
0
11
9_
_1
0
1
1
1
_1
1
1
_
12
11
1
_1
3
1
1
1
_1
_1
4
5
1
1
Äí è
1
_1
6
1
_
17
11
1
_1
8
1
1
_1
9
1
Использовались данные МНЧ вдоль трассы Магадан-Иркутск
в период с 9 по 19 ноября 2005 г.
Измерения проводились с периодом 5 мин.
Протяженность трассы Магадан–Иркутск составляет 3000 км.
Средняя точка трассы находится южнее Якутска.
Экспериментальная ИНЗ
Траектории прохождения радиоволн на
различных частотах (6-30 МГц) при НЗ
Методика анализа:
Анализ выполнялся с помощью разработанных
в ИСЗФ СО РАН методики и алгоритма поиска
периодичностей для временных рядов.
Использовался скользящий режим обработки для
Экспериментальная
ИНЗ
в определенном
диапазоне
поиска периодичностей
периодов (порядка десятков минут, часов).
n
{
}
f
Пусть задан набор данных k 1 , которые получены в
моменты времени {x k }1 . Тем самым имеется временной
ряд данных, относящихся к определенным моментам
времени, не обязательно равноотстоящим друг от друга.
n
Аналитическое описание данных (временного ряда)
может быть основано на использовании приближающих
функций
m
f(x) = c + ∑ {ak cos (ωk x) + bk sin (ωk x)}
k =1
В конечной сумме стандартных слагаемых, в отличие от
ряда Эйлера-Фурье, частоты не обязаны быть кратны
друг другу.
Для аппроксимации экспериментальных данных следует
определить параметры приближающей функции, то есть
набор величин {с, ak, bk, ωk}.
Константа, являющаяся средним значением, определяется
из условия
n
c = ∑ fk ,
k =1
а остальные характеристики {ak, bk, ωk} приближающей
функции f(x) получаются из условия минимизации
функционала
n
Ω(a, b, ω ) = ∑ Pk ( f k − c − a cos( xk ω ) − b sin( xk ω ) ) (1)
k =1
2
По всему массиву данных рассчитывалось значение
величины a 2 + b 2 , которая характеризует "энергию" Ei
на частоте ωi.
10
8
i
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
Ñóòêè
6
7
8
9
10
Расчеты Ei проводились на сетке периодов с шагом, равным
0.5 часа. Минимальный период равен 30 минутам, а максимальный
- 10 cуткам.
4
Qi
3
2
4
1
Qi
3
2
0
0
1
0.5
1
1.5
×àñû
2
2.5
3
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
×àñû из исходного ряда данных МНЧ приливных
После удаления
гармоник, был рассчитан спектр мощности Qi гармоник
короткопериодных вариаций.
Усиление мощности спектра на определенных частотах ωi
можно интерпретировать как проявление перемещающихся
ионосферных возмущений (ПИВ), связанных с
распространением внутренних гравитационных волн (ВГВ).
Источниками ВГВ могут быть:
возмущения гелио- и геомагнитной обстановки
(внешний фактор);
атмосферные процессы (внутренний фактор) тропосферные циклоны, фронтальные системы, струйные
течения, полярная и экваториальная токовые системы,
связанные с магнитными бурями, солнечный терминатор,
ураганы, грозы, ядерные испытания, землетрясения,
извержения вулканов, сверхзвуковой полет ракет и т.д. Эти
источники в основном двух типов: природные и
искусственные.
Детали механизма влияния солнечных и
геомагнитных факторов на процессы в
атмосфере и ионосфере (воздействие «сверху») ,
достаточно хорошо разработаны.
Воздействию же со стороны нижних слоев
атмосферы (воздействие «снизу») до сих пор
уделялось значительно меньше внимания.
Вариации геомагнитных
параметров.
1.2
1
U1,0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
9_
1
_
10
11
_1
11
1
1
_1
2
1
_
13
11
_
14
11
_1
15
Äí è
1
1
_1
6
1
_
17
11
_
18
11
_1
19
1
Результаты расчета
энергетики МНЧ для
периода 1.0 час со
скользящим окном
7 часов. Расчеты
основаны на
использовании
функционала (1).
Временной сдвиг
скользящего окна
равен 1 часу.
Вариации геомагнитных
параметров.
1.2
1
Результаты расчета
энергетики МНЧ для
периода 2.0 часа со
скользящим окном
7часов.
U2,0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
9_
1
_
10
11
_1
11
1
12
1
_1
13
1
_1
_
14
11
_1
15
Äí è
1
16
1
_1
_
17
11
_
18
11
_1
19
1
Одним из эффективных механизмов взаимодействия
между слоями атмосферы и воздействия со стороны
нижних слоев атмосферы является волновой механизм.
Локальные возмущения в нижней атмосфере возбуждают
широкий пространственно-временной спектр ВГВ, который
фильтруется по мере распространения волн в атмосфере.
Распространяясь вверх по наклонным траекториям, ВГВ
переносят энергию из тропосферы в среднюю атмосферу и
ионосферу на многие сотни и даже тысячи километров. При
этом амплитуда ВГВ растет.
Достигая мезосферы волны могут разрушаться, и это
приводит к локальному нагреванию и движениям воздуха.
Однако при определенных условиях ВГВ могут достигать
высот максимума ионосферы (∼300 км).
Одним из мощнейших потенциальных источников воздействия
«снизу» могут быть тропические циклоны.
Гигантские атмосферные вихри, зарождающиеся в
экваториальных широтах и получающие свое развитие в
тропических зонах, представляют собой эффективный
механизм сброса избыточной энергии атмосферы в условиях,
когда действие обычных механизмов (конвективный перенос
4
и глобальная циркуляция) становится недостаточным.
Qi
3
Прохождение мощного
2
циклонического фронта
1сопровождается
возбуждением широкого
0
спектра
0
0.5 ВГВ.
1
1.5
2
2.5
×àñû
3
90
60
11_28
11_22
12_09
Ø è ðî òà, °
30
11_30
11_03 11_21
11_23
10_25
11_15
12_04 11_27
11_03
0
11_14
10_27
11_12
12_01
11_04
11_18
11_04
11_08
-30
-60
-90
-180
-135
-90
-45
0
45
90
135
180
Траектории движения тропических циклонов в ноябре 2005 г.
90
Траектории движения
тропических циклонов
в период проведения
радиофизических
измерений 9-19 ноября
2005 г. на трассе
наклонного
зондирования МагаданИркутск.
Ø è ðî òà, °
ßêóòñê
Ì àãàäàí
60
Èðêóòñê
D2
30
D1
11_21
11_14
11_12
0
90
120
11_04
150
180
Äî ë ãî òà, °
D1 ≈ 6100 км (t1 ≈ 2 час)
D2 ≈ 4600 км (t2 ≈ 1,5 час)
Тайфун BOLAVEN
Характеристика тропического циклона № NWP 0523,
действующего в период радиофизических измерений
1.2
1
Результаты расчета
энергетики МНЧ для
периода 2.0 часа.
0.6
0.4
0.2
0
_1
11
1
1
_1
2
1
_
13
11
_
14
11
_1
15
Äí è
1
1
_1
6
1
_
17
11
_
18
11
_1
19
1
1010
1000
Вариации давления в
период развитияия
тропического циклона
№ NWP 0523
990
980
Äí è í î ÿáðÿ 2005 ã.
20
_1
1
21
_1
1
19
_1
1
970
18
_1
1
11
17
_1
1
_
10
16
_1
1
1
15
_1
1
1
9_
12
_
13 11
_1
1
14
_1
1
U2,0
0.8
Выводы:
• Анализ короткопериодных временных вариаций
максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) сигналов
наклонного зондирования вдоль среднеширотной трассы
Магадан-Иркутск в период с 9 по 19 ноября 2005 г. выявил
наличие перемещающихся ионосферных возмущений
(ПИВ), источниками которых являются ВГВ с периодами 1
и 2 часа.
• Усиление энергетики МНЧ для периода 1 час вероятно
связано с ростом геомагнитной возмущенности 12-14
ноября 2005 г.
• Усиление энергетики МНЧ для периода 2 часа в спокойных
геомагнитных условиях 17-18 ноября 2005 г. может быть
связано с развитием во время анализируемого временного
интервала тропического циклона.
Выводы:
Сделанное предположение подтверждается выводами
теоретических исследований о том, что над местом
локального возмущения атмосферы будут наблюдаться
акустико-гравитационные волны (АГВ) с периодами
∼минут, а на больших горизонтальных расстояниях,
в основном, внутренние гравитационные волны (ВГВ)
с периодами ∼ десятков минут-3 часа, поскольку
мелкомасштабные АГВ по мере распространения на
большие расстояния быстро затухают из-за вязкости и
теплопроводности.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!