NmF2 variability at different longitudes in mid-latitudes: the role of geomagnetic activity

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Based on data from mid-latitude ionospheric stations at close corrected geomagnetic latitudes, the properties of the variability in the F2 layer peak density (NmF2) at different longitudes were analyzed during increased (48 > ap(t) > 27) and high (ap(t) > 48) geomagnetic activity, where ap(t) is the weighted average ap-index of this activity. The standard deviation s of Nm fluctuations with respect to the quiet level and the average shift of these fluctuations xave were used as characteristics of this variability. It was found that at all analyzed stations, the variance s2 for increased geomagnetic activity is greater than for quiet conditions but hardly differs from s2 for high geomagnetic activity. For all analyzed cases, the average shift xave < 0, and for high geomagnetic activity, the absolute value of xave is greater than for increased geomagnetic activity. The difference in xave values between the analyzed stations is quite large. One reason for this difference may be related to the dependence of xave on geomagnetic latitudes. Approximations of the geomagnetic field by the tilted dipole (TD), eccentric dipole (ED), or using corrected geomagnetic (CGM) coordinates were used to select these latitudes. It was found that the dependence of xave on ED latitude is more accurate than the dependence of xave on TD latitude and, moreover, the dependence of xave on CGM latitude. Therefore, ED latitudes, and not CGM latitudes, are optimal for accounting for storm effects on the F2 layer peak density at mid-latitudes. This conclusion has apparently been obtained for the first time.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Изменчивость концентрации максимума слоя F2 ионосферы NmF2 (или критической частоты foF2 ~ NmF21/2) исследовалась неоднократно [Forbes et al., 2000; Rishbeth and Mendillo, 2001; Araujo-Pradere et al., 2005; Fotiadis and Kouris, 2006; Altadill, 2007; Zhang and Holt, 2008; Pirog et al., 2011; Deminov et al., 2013; Ratovsky et al., 2015; 2023]). Ниже NmF2 обозначена через Nm для краткости изложения. В этих работах изменчивость Nm оценивалась по величине стандартного (или среднеквадратичного) отклонения Nm относительно фона. В качестве этого фона выбирались средние за месяц значения Nm или foF2 [Forbes et al., 2000; Rishbeth and Mendillo, 2001; Araujo-Pradere et al., 2005], локальные модели средних за месяц значений высотного распределения концентрации электронов [Altadill, 2007; Zhang and Holt, 2008], медианы Nm за 15 дней для периодов низкой солнечной и геомагнитной активности [Deminov et al., 2013], медианы Nm за 27 дней [Ratovsky et al., 2015; 2023] или медианы foF2 за месяц [Fotiadis and Kouris, 2006].

Среднее за месяц значение Nm и медиана Nm зависят от геомагнитной активности, однако эта зависимость обычно неизвестна. Поэтому использование этих характеристик ионосферы для сравнительных оценок изменчивости Nm при разных уровнях геомагнитной активности становится недостаточным. Более точный подход к оценке изменчивости концентрации этого максимума связан с использованием в качестве фона средних значений Nm для низкой геомагнитной активности. Получение таких значений Nm сопряжено с определенными трудностями, поскольку периоды продолжительной низкой геомагнитной активности встречаются нечасто (см., например, [Rishbeth and Mendillo, 2001]). Один из способов преодоления этой проблемы связан с построением локальной эмпирической модели Nm для низкой геомагнитной активности по данным Nm конкретной станции за интервал не менее 30 лет, поскольку число магнитоспокойных дней в таком большом массиве данных обычно достаточно для построения данной модели [Деминов и др., 2009]. Этот способ определения статистических свойств флуктуаций Nm относительно спокойного уровня при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности был реализован по данным ст. Иркутск (52.5° N, 104° E), Алма-Ата (52.5° N, 104° E) и Ямагава (Yamagawa, 31.2° N, 130.6° E) [Деминов и др., 2015; 2023].

Эти станции расположены в определенном долготном секторе. Не меньший интерес представляет анализ свойств изменчивости Nm в разных долготных секторах при разных уровнях геомагнитной активности. Долготные особенности изменений Nm в периоды конкретных геомагнитных бурь отмечались, например, в работах [Kilifarska, 1988; Shpynev et al., 2018; Chernigovskaya et al., 2021; Черниговская и др., 2022]. Напомним, что под долготными изменениями параметров ионосферы понимают изменения этих параметров с долготой при прочих равных условиях, включая местное время. В период конкретной бури последнее условие до некоторой степени может быть выполнено только для продолжительной почти неизменной геомагнитной активности, что реализуется редко. Другой способ определения долготных особенностей Nm в периоды геомагнитных бурь основан на построении эмпирической модели бури в ионосфере [Araujo-Pradere et al., 2002] или полуэмпирической модели отрицательной фазы ионосферной бури, т.е. уменьшений Nm в эти периоды [Аннакулиев и др., 1997]. Обе модели являются поправками на геомагнитную бурю к модели медианы foF2 за месяц. В полуэмпирической модели эта поправка учтена через зависимость foF2 от аэрономических параметров с помощью эмпирической модели температуры и состава термосферы MSIS [Hedin, 1987]. На основе анализа данных ионосферных станций Северного полушария было получено, что на средних широтах существует дополнительный долготный эффект в отрицательной фазе ионосферной бури, который “привязан” к определенному долготному региону (300±65° E) и, по-видимому, связан с изменениями скорости термосферного ветра из-за особенностей геомагнитного поля [Аннакулиев и др., 1997]. В эмпирической модели бури в ионосфере особенности геомагнитного поля учтены иначе: поправка на геомагнитную бурю зависит от исправленной геомагнитной (CGM) широты [Araujo-Pradere et al., 2002]. Тем самым учтено, что CGM-координаты являются основными для описания нагрева термосферы в высоких широтах как источника бури в ионосфере на средних широтах (см., например, [Buonsanto, 1999]). Следовательно, можно предположить, что на средних широтах для высокой геомагнитной активности свойства изменчивости ионосферы на разных долготах будут почти одинаковы для фиксированной CGM-широты и местного времени.

Проверка этого предположения было основной целью данной работы. Кроме исправленных геомагнитных координат [Gustafsson et al., 1992] рассмотрены координаты наклонного (TD) и эксцентричного (ED) диполя [Fraser-Smith, 1987; Деминов и Фищук, 2000; Koochak and Fraser-Smith, 2017]. CGM, TD и ED координаты являются аппроксимациями геомагнитного поля, в TD-координатах центр диполя совпадает с центром Земли и ось диполя наклонена относительно оси вращения, ED-координаты отличаются от TD-координат тем, что центр диполя не совпадает с центром Земли. В результате, в Северном и Южном полушариях разница между магнитным и географическим полюсами одинакова в TD-координатах и различна в ED-координатах.

Ниже представлены результаты этой работы. Они приведены в следующей последовательности: локальные модели Nm для спокойного уровня на разных долготах для почти фиксированной CGM-широты, статистические свойства флуктуаций Nm относительно спокойного уровня при разных уровнях геомагнитной активности в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы, обсуждение этих свойств и выводы.

2. МОДЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 ДЛЯ НИЗКОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

В данном случае эмпирическая модель концентрации максимума слоя F2 для низкой геомагнитной активности Nm0 по данным конкретной станции представляет собой набор коэффициентов aj (j=0, 1, 2, 3) уравнения регрессии

Nm0(F) = a0 + a1 F + a2 F2 + a3 F3 , (1)

для каждого часа мирового времени UT с дискретностью 1 час и месяца года (M = 1 – январь, M = 12 – декабрь), где

F = 0.5 (F1 + Fm), (2)

F1 и Fm – величина потока солнечного излучения на длине волны 10.7 см (в 10-22 Вт/м2 Гц) в данный день и среднее за 81 день значение этого потока.

Коэффициенты aj уравнения (1) для каждого фиксированного значения UT и M определялись по массиву данных часовых значений Nm конкретной станции за 1958−1988 гг., из которого исключались данные, которые не удовлетворяли условию

ap(t) < 9, (3)

где ap(t) – средневзвешенное значение ap-индекса геомагнитной активности с характерным временем T = 14 ч или t = exp(−3/T) ≈ 0.8 [Wrenn, 1987]:

ap(t) = (1–t) (ap0 + ap-1 t + ap-2 t2 + …), (4)

ap0, ap-1 и т.д. – значения ap-индекса в данный, предыдущий и т.д. трехчасовые интервалы. Условие (3) предназначено для исключения из рассмотрения эффектов магнитосферных бурь в ионосфере [Wrenn and Rodger, 1989]. В данном случае спокойная ионосфера – это ионосфера, из которой исключены эффекты магнитосферных бурь.

Выбор индекса F связан с тем, что аналогичный индекс использовался как достаточно адекватный индикатор солнечной активности для ежедневных значений солнечного ультрафиолетового излучения [Richards et al., 1994; 2006] и концентрации максимума слоя F2 [Lei et al., 2005; Liu et al., 2006; Ma et al., 2009].

Выбор критерия (3) для спокойной ионосферы, по-видимому, является оптимальным компромиссом между стремлением исключить из рассмотрения все магнитовозмущенные периоды и сохранить достаточно большой массив данных Nm0 для получения надежных статистических оценок коэффициентов уравнения регрессии (1). Отметим, что критерий (3) почти не отличается от критерия, принятого в эмпирической модели STORM: согласно этой модели, поправка foF2 на геомагнитную бурю отсутствует, если ap(t) ≤ 9 нТл [Araujo-Pradere et al., 2002].

Для анализа были использованы данные ионосферных станций за 1958–1988 гг., координаты которых приведены в табл. 1. Геомагнитные широты (TD, ED и CGM) в этой таблице вычислены для 1980 г. по международной модели IGRF-13 [Alken et al., 2021]. Станции подбирались так, чтобы массив данных Nm был достаточно большим и их CGM-широты слабо отличались. В данном случае эти станции расположены на географических широтах 48±8 °N, TD-широтах 47.5±6.5 °N, ED-широтах 47.5±4.5 °N, CGM-широтах 49±2 °N. Нам не удалось подобрать другие наборы ионосферных станций на средних широтах, чтобы их разница CGM-широт была меньше двух градусов в большом интервале долгот.

 

Таблица 1. Ионосферные станции, их географические (GEOGR) координаты, широты наклонного (TD), эксцентричного (ED) диполя и исправленные геомагнитные (CGM) широты. Статистические свойства изменчивости концентрации максимума слоя F2 (среднего сдвига xave и стандартного отклонения s относительно спокойного уровня) для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной (48 > ap(t) > 27) и высокой (ap(t) > 48) геомагнитной активности.

№

Станция

GEOGR

TD

ED

CGM

48 > ap(t) > 27

ap(t) > 48

Lat/Lon

°N/°E

Lat

°N

Lat

°N

Lat

°N

11–13 LT

xave/s, %

23–01 LT

xave/s, %

11–13 LT

xave/s, %

23–01 LT

xave/s, %

1

Slough

51.5/359.4

54.0

51.1

48.3

–18/29

–32/25

–51/27

–66/23

2

Juliusruh

54.6/13.4

54.2

52.0

50.8

–23/27

–34/25

–55/25

–65/23

3

Moscow

55.5/37.3

50.7

49.7

51.0

–21/28

–31/25

–56/29

–66/20

4

Tomsk

56.5/84.9

46.1

47.1

51.5

–16/27

–23/27

–57/27

–60/22

5

Irkutsk

52.5/104.0

41.3

42.9

47.1

–8/29

–14/28

–43/35

–49/23

6

Boulder

40.0/254.7

48.9

47.4

49.2

–17/32

nn

–64/23

nn

7

Washington

38.7/282.9

49.8

46.9

50.8

–15/31

–14/33

–52/30

–69/18

 

На первом этапе для каждой из этих станций были получены эмпирические модели концентрации максимума слоя F2 для низкой геомагнитной активности Nm0, которые представляют собой уравнения (1) для каждого часа мирового времени и месяца года.

На следующем этапе модели Nm0 были использованы для анализа свойств флуктуаций концентрации максимума слоя F2 (в процентах), x = (Nm/Nm0 – 1)·100%, по данным выбранных станций: стандартного отклонения s(x), среднеквадратичного отклонения s(x) и среднего сдвига xave этих флуктуаций относительно спокойного уровня (см., например, [Taylor, 1982]):

xave = (1/n) Si xi ,

s2 = (1/n) Si (xi – xave)2 , (5)

s2 = (1/n) Si xi2 = s2 + xave2 ,

где xi = (Nm(i)/Nm0 – 1)·100 %, Si обозначает суммирование по индексу i от 1 до n, n – число значений x данной выборки. При записи этих уравнений учтено, что во всех рассмотренных ниже случаях величина n > 100 и можно не учитывать разницу между (n–1) и n. Последнее из равенств (5) показывает, что квадрат среднеквадратического отклонения x относительно спокойного уровня складывается из дисперсии s2, которая характеризует флуктуации x относительно их среднего значения, и квадрата этого среднего значения. Если модель (1) для спокойных условий является точной, то для этих спокойных условий величина xave = 0. Следовательно, величина xave характеризует систематическое изменение (сдвиг) Nm относительно спокойного уровня. Величины s и xave рассмотрены ниже в качестве основных характеристик флуктуаций Nm относительно спокойного уровня Nm0, поскольку величина s(x) однозначно связана с s и xave уравнением, приведенным выше.

Для получения надежных статистических оценок были использованы данные ионосферных станций за 1958–1988 гг. для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов без разделения на сезоны для трех интервалов геомагнитной активности: низкая (ap(t) < 9), повышенная (48 > ap(t) > 27) и высокая (ap(t) > 48) активность.

Флуктуации Nm относительно спокойного уровня Nm0 для низкой геомагнитной активности являются характеристиками точности модели Nm0 и изменчивости ионосферы для этой активности. Для приведенных в таблице 1 станций для низкой геомагнитной активности выполнены условия: xave < 0, xave2 << s2, для дневных часов |xave| < 0.5% и s = 17–19%, для ночных часов |xave| < 1.8% и s = 21–25%. Из этих данных следует, что для низкой геомагнитной активности модель (1) является достаточно точной, поскольку практически отсутствует систематический сдвиг относительно спокойного уровня: xave2 << s2. В данном случае, дисперсия s2 относительных флуктуаций Nm отражает внутреннюю, т.е. не связанную с геомагнитной активностью, изменчивость ионосферы. Днем эта изменчивость меньше, чем ночью.

3. ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

В таблице 1 приведены результаты вычисления среднего сдвига xave и стандартного отклонения s концентрации максимума слоя F2 от спокойного уровня для анализируемых станций в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы для повышенной геомагнитной активности (48 > ap(t) > 27). Из этих результатов можно видеть, что стандартные отклонения s лежат в диапазоне 27–32% и 25–33% в дневные и ночные часы. Следовательно, в среднем стандартное отклонение s для повышенной геомагнитной активности больше, чем для спокойных условий, примерно на 10% и 5% в дневные и ночные часы, и эта разница максимальна для Американского континента. Тем не менее, в целом, отличия в значениях s между анализируемыми станциями не очень большие: s = 29.5 ± 2.5% и s = 29± 4% в дневные и ночные часы.

Для всех приведенных в таблице 1 случаев сдвиг xave < 0, т.е. повышенной геомагнитной активности соответствует уменьшение Nm относительно спокойного уровня – отрицательная фаза ионосферного возмущения. Диапазон изменений |xave| равен 8–23% и 14–34% для дневных и ночных часов. Следовательно, для всех анализируемых станций в дневные и ночные часы величина |xave| в период повышенной геомагнитной активности на порядок больше, чем для спокойных условий.

Не менее важным является очень большой диапазон изменений xave между анализируемыми станциями: |xave| = 15.5±7.5% и |xave| = 24±10% для дневных и ночных часов. Анализируемые станции подбирались так, чтобы разница в CGM-широтах этих станций была минимальной. В данном случае их CGM-широты лежат в диапазоне 49±2 °N. Эффекты ионосферных возмущений в периоды повышенной геомагнитной активности зависят от широты, поскольку источник этих возмущений расположен в высоких широтах. Возможно, что они значительны даже для такого небольшого диапазона CGM-широт. Возможно также, что ED или TD координаты являются более точными для описания возмущений в ионосфере средних широт в периоды повышенной геомагнитной активности. Для проверки этих предположений по данным xave в таблице 1 были определены коэффициенты уравнений регрессии (a и b) и статистические свойства этих уравнений

xave = a + b F, (6)

где F – TD, ED или CGM-широты, которые для каждой из анализируемых станций (и каждого xave в дневные или ночные часы) приведены в таблице 1. Результат показан на рис. 1, где приведены исходные данные xave, уравнения регрессии (6), коэффициенты определенности R2 и стандартные отклонения s для этих уравнений. Отметим, что R – коэффициент корреляции между вычисленными по уравнению (6) и исходными значениями xave. Из данных на рис. 1 следует, что зависимость xave от ED-широты точнее зависимости xave от TD-широты и, тем более, зависимости xave от CGM-широты как в дневные, так и в ночные часы. В данном случае для анализируемых станций интервал изменения CGM-широт меньше интервалов изменений TD или ED-широт. В этом одна из возможных причин относительно низких значений R2 для зависимости xave от CGM-широты. Тем не менее, если бы CGM-широты обеспечивали минимальные значения s для уравнения регрессии (6), они имели бы преимущество по сравнению TD или ED-широтами. Из данных на рис. 1 следует, что картина противоположная: величина s для зависимости xave от ED-широты примерно в два раза меньше, чем для зависимости xave от CGM-широты как в дневные, так и в ночные часы. Кроме того, величина s для зависимости xave от ED-широты примерно в 1.4–1.5 раза меньше, чем для зависимости xave от TD-широты. Следовательно, если основываться на данных рис. 1, ED координаты являются оптимальными для описания среднего сдвига xave концентрации максимума слоя F2 при повышенной геомагнитной активности (48 > ap(t) > 27) в дневные и ночные часы на всех долготах.

 

Рис. 1. Зависимости среднего сдвига xave концентрации максимума слоя F2 от широт наклонного (TD) или эксцентричного (ED) диполя или исправленных геомагнитных (CGM) широт для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной геомагнитной активности по данным в таблице 1 (точки). Уравнения регрессии (6) по этим данным (сплошные линии), коэффициенты определенности R2 и стандартные отклонения s для этих уравнений.

 

4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 ПРИ ВЫСОКОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

В табл. 1 приведены результаты вычисления среднего сдвига xave и стандартного отклонения s концентрации максимума слоя F2 от спокойного уровня для анализируемых станций в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы для высокой геомагнитной активности (ap(t) > 48). Из таблицы можно видеть, что стандартные отклонения s лежат в диапазоне 27–32% и 25–33% в дневные и ночные часы. Сравнивая с данными для низкой и умеренной геомагнитной активности, можно видеть, что стандартные отклонения s для высокой геомагнитной активности слабо отличаются от s для умеренной геомагнитной активности, т.е. в увеличении s с ростом геомагнитной активности наступает насыщение для ap(t) > 48.

Для среднего сдвига xave такого насыщения не происходит: |xave| для высокой геомагнитной активности примерно в 2–3 раза больше, чем для умеренной геомагнитной активности. Это соответствует увеличению амплитуды отрицательной фазы ионосферной бури для периодов высокой геомагнитной активности.

Уравнения регрессии (6) позволяют судить о зависимости сдвига xave от TD, ED и CGM-широт. На рис. 2 показаны параметры этого уравнения для высокой геомагнитной активности, полученные по данным xave из таблицы 1. Можно видеть, что в дневные часы значения s для уравнений регрессии (6) почти не отличаются для этих широт: s = 3.9–4.5%. Поэтому для дневных часов не выявлены преимущественные координаты для описания зависимости xave от широты. Для ночных часов зависимость xave от ED-координат точнее зависимости xave от TD и, тем более, CGM-координат: величина s для ED-координат примерно в 1.5 и 5 раз меньше, чем для TD и CGM-координат соответственно.

 

Рис. 2. Зависимости среднего сдвига xave концентрации максимума слоя F2 от TD, ED или CGM широт для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при высокой геомагнитной активности по данным в таблице 1 (точки). Уравнения регрессии (6) по этим данным (сплошные линии), коэффициенты определенности R2 и стандартные отклонения s для этих уравнений.

 

5. ОБСУЖДЕНИЕ

Выше отмечалось, что индекс F ранее использовался как достаточно адекватный индикатор солнечной активности для ежедневных значений солнечного ультрафиолетового излучения и концентрации максимума слоя F2. Тем не менее, поток солнечного радиоизлучения на длине волны 30 см (индекс F30) может быть более точным, чем F10.7, индикатором солнечной активности для медиан или ежегодных значений foF2 [Danilov and Berbeneva, 2023; Laštovička and Burešova, 2023]. Оценка эффективности использования индекса F30 для ежедневных значений foF2 или NmF2 требует специального рассмотрения. По предварительным оценкам, использование в данной работе индекса F30 вместо F10.7 не приведет к изменению основных выводов работы о вкладе геомагнитной активности в изменчивость NmF2. Это связано с высокой корреляцией между индексами F30 и F10.7 [Laštovička and Burešova, 2023].

Периоды высокой геомагнитной активности встречаются нечасто. Например, в интервале 1958–1988 гг. для дневных часов примерное число наблюдений foF2 на анализируемых станциях равно 12000, 2500 и 700 для низкой (ap(t) < 9), повышенной (27 < ap(t) < 48) и высокой (ap(t) > 48) геомагнитной активности. В этом одна из причин использования широкого интервала изменения ap(t) для высокой геомагнитной активности.

Для анализа были использованы данные ионосферных станций на близких CGM-широтах. Мы предполагали, что эти широты являются достаточно точными для описания изменений Nm в периоды геомагнитных бурь на разных долготах средних широт. Тем более, что CGM-широты были использованы в модели STORM [Araujo-Pradere et al., 2002], которая дает поправку для foF2 на геомагнитную бурю и является частью международной модели ионосферы IRI [Bilitza, 2018]. Отрицательная фаза ионосферной бури на средних широтах в значительной степени обусловлена изменениями температуры и состава термосферы [Buonsanto, 1999]. В эмпирической модели термосферы Jacchia-77 [Jacchia, 1977] для учета эффектов высокой геомагнитной активности использованы инвариантные широты или, как упрощенный вариант, TD-широты. В моделях термосферы серии MSIS [Hedin, 1987; Picone et al., 2002] не использованы геомагнитные координаты. Тем не менее, модели серии MSIS часто используются для анализа эффектов бурь в ионосфере, включая полуэмпирическую модель отрицательной фазы ионосферной бури [Аннакулиев и др., 1997]. На основе анализа данных ионосферных станций Северного полушария с помощью этой полуэмпирической модели было получено, что на средних широтах в определенном долготном регионе (300±65° E) модель MSIS занижает амплитуду отрицательной фазы ионосферной бури [Аннакулиев и др., 1997]. Возможная причина этого заключается в том, что в моделях серии MSIS недооценена зависимость бури в термосфере от геомагнитных широт. На основе этого мы предполагали, что изменчивость Nm будет почти одинакова на разных долготах для фиксированных CGM-широт, геомагнитной активности и местного времени. Выбор ионосферных станций в узком интервале CGM-широт (49±2 °N) был обусловлен этой причиной.

Анализ показал, что стандартные отклонения Nm от спокойного уровня (s) при умеренной (48 > ap(t) > 27) и высокой (ap(t) > 48) геомагнитной активности почти не отличаются для каждой из этих станций, т.е. для высокой геомагнитной активности наблюдается насыщение в увеличении s с ростом геомагнитной активности на всех долготах. Эта закономерность изменчивости Nm на средних широтах отмечалась раньше для конкретного долготного региона [Деминов и др., 2023]. В целом, отличия в значениях s между анализируемыми станциями для умеренной или высокой геомагнитной активности не очень большие. Это не позволило выбрать оптимальные геомагнитные широты для учета зависимости s от широты.

Отличия в значениях среднего сдвига xave концентрации максимума слоя F2 относительно спокойного уровня между анализируемыми станциями достаточно большие. Сильная зависимость xave от геомагнитных широт может быть одной из основных причин такого отличия. В качестве таких геомагнитных широт были выбраны TD, ED и CGM-широты. Было получено, что зависимость xave от ED-широты точнее зависимости xave от TD-широты и, тем более, зависимости xave от CGM-широты в дневные и ночные часы при повышенной геомагнитной активности и в ночные часы при высокой геомагнитной активности. Сильный разброс данных xave для анализируемых станций в дневные часы при высокой геомагнитной активности не позволил определить преимущество одной из широт для этих условий. Следовательно, в целом, ED-широты, а не CGM-широты, являются оптимальными для учета эффектов бурь в концентрации максимума слоя F2 на средних широтах. Этот вывод получен, по-видимому, впервые. В CGM координатах учтены региональные особенности магнитного поля Земли в отличие от ED координат. Для бури в термосфере и, следовательно, для отрицательной фазы ионосферной бури на средних широтах, по-видимому, важен нагрев всей высокоширотной термосферы авроральными электроструями, когда региональные особенности магнитного поля Земли перестают быть важными. В этом может быть причина преимущества ED-широт для бури в ионосфере средних широт.

Приведенные оценки являются предварительными, поскольку рассмотрены данные небольшого числа ионосферных станций и для этих станций не учтена зависимость изменчивости ионосферы от сезона. Последнее было связано со стремлением получить по возможности достаточно большой массив данных ионосферных станций.

6. ВЫВОДЫ

На основе данных среднеширотных ионосферных станций за 1958–1988 гг. на близких исправленных геомагнитных широтах 49±2 °N проведен анализ свойств изменчивости концентрации максимума слоя F2 NmF2 на разных долготах при повышенной (48 > ap(t) > 27) и высокой (ap(t) > 48) геомагнитной активности, где ap(t) – средневзвешенный ap-индекс этой активности. В качестве характеристик этой изменчивости использованы стандартное отклонение s флуктуаций Nm относительно спокойного уровня и средний сдвиг этих флуктуаций xave в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы. Получены следующие выводы.

  1. На всех анализируемых станциях дисперсия s2 для повышенной геомагнитной активности больше, чем для спокойных условий, но почти не отличается от s2 для высокой геомагнитной активности, т.е. наблюдается насыщение в увеличении s2 с ростом геомагнитной активности. Отличия в значениях s между станциями не очень большие: они меньше среднего для станций значения s в 6–8 раз.
  2. Для всех анализируемых случаев средний сдвиг xave < 0, и для высокой геомагнитной активности модуль xave больше, чем для повышенной геомагнитной активности. Разница в значениях xave между анализируемыми станциями достаточно большая: она сопоставима со средним для станций значением xave.
  3. Одна из причин этой разницы связана с зависимостью xave от широты наклонного (TD) или эксцентричного (ED) диполя или исправленной геомагнитной (CGM) широты как аппроксимаций магнитного поля Земли. Получено, что зависимость xave от ED-широты точнее зависимости xave от TD-широты и, тем более, зависимости xave от CGM-широты в дневные и ночные часы при повышенной геомагнитной активности и в ночные часы при высокой геомагнитной активности. Сильный разброс данных xave для анализируемых станций в дневные часы при высокой геомагнитной активности не позволил определить преимущество одной из широт для этих условий. Следовательно, в целом, ED-широты, а не CGM-широты, являются оптимальными для учета эффектов бурь в концентрации максимума слоя F2 на средних широтах. Этот вывод получен, по-видимому, впервые.

7. БЛАГОДАРНОСТИ

Данные критических частот слоя F2 анализируемых ионосферных станций, индексы солнечной и геомагнитной активности были взяты c сайтов Space Physics Interactive Data Resource (SPIDR, http://spidr.ngdc.noaa.gov/, до 2015 года), WDC for Solar-Terrestrial Physics, Chilton (http://www.ukssdc.ac.uk/wdcc1/), WDC for Geomagnetism, Kyoto (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/).

×

About the authors

V. Kh. Depuev

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

M. G. Deminov

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

G. F. Deminova

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

A. Kh. Depueva

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

References

  1. Аннакулиев С.К., Деминов М.Г., Фельдштейн А.Я., Шубин В.Н. О долготном эффекте в отрицательной фазе ионосферной бури на средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 37. № 1. С. 75–83. 1997.
  2. Деминов М.Г., Фищук Я.А. Об использовании аппроксимации геомагнитного поля эксцентричным диполем в задачах моделирования ионосферы и плазмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 40. № 3. С. 119–123. 2000.
  3. Деминов М.Г., Деминова Г.Ф., Жеребцов Г.А., Полех Н.М. Свойства изменчивости концентрации максимума F2-слоя над Иркутском при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности // Солнечно-земная физика. Т. 1. № 1. С. 56–62. 2015. https://doi.org/10.12737/6558
  4. Деминов М.Г., Деминова Г.Ф., Депуев В.Х., Депуева А.Х. Свойства изменчивости концентрации максимума F2-слоя над Алма-Атой при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 63. № 5. С. 630–637. 2023. https://doi.org/10.31857/S0016794023600308
  5. Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С., Ратовский К.Г., Белинская А.Ю., Степанов А.Е., Бычков В.В., Григорьева С.А., Панченко В.А., Мелич Й. Исследование отклика среднеширотной ионосферы Северного полушария на магнитные бури в марте 2012 г. // Солнечно-земная физика. Т. 8. № 4. С. 46–56. 2022. https://doi.org/10.12737/szf-84202204
  6. Alken P., Thebault E., Beggan C.D. et al. International geomagnetic reference field: the thirteenth generation // Earth Planets Space. V. 73. № 1. ID 49. 2021. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
  7. Altadill D. Time/altitude electron density variability above Ebro, Spain // Adv. Space Res. V. 39. № 5. P. 962–969. 2007. https://doi.org/10.1016/j.asr.2006.05.031
  8. Araujo-Pradere E.A., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V. STORM: An empirical storm-time ionospheric correction model: 1. Model description // Radio Sci. V. 37. № 5. ID 1070. 2002. https://doi.org/10.1029/2001RS002467
  9. Araujo-Pradere E.A., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V., Bilitza D. Characteristics of the ionospheric variability as a function of season, latitude, local time, and geomagnetic activity // Radio Sci. V. 40. № 5. ID RS5009. 2005. https://doi.org/10.1029/2004RS003179
  10. Bilitza D. IRI the international standard for the ionosphere // Adv. Radio Sci. V. 16. P. 1–11. 2018. https://doi.org/10.5194/ars-16-1-2018
  11. Buonsanto M.J. Ionospheric storms: a review // Space Sci. Rev. V. 88. № 3–4. P. 563–601. 1999. https://doi.org/10.1023/A:1005107532631
  12. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Yasyukevich A.S. et al. Longitudinal variations of geomagnetic and ionospheric parameters in the Northern Hemisphere during magnetic storms according to multi-instrument observations // Adv. Space Res. V. 67. № 2. P. 762–776. 2021. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.10.028
  13. Danilov A.D., Berbeneva N.A. Statistical analysis of the critical frequency foF2 dependence on various solar activity indices // Adv. Space Res. V. 72. № 6. P. 2351–2361. 2023. https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.05.012
  14. Deminov M.G., Deminova G.F., Zherebtsov G.A., Polekh N.M. Statistical properties of variability of the quiet ionosphere F2-layer maximum parameters over Irkutsk under low solar activity // Adv. Space Res. V. 51. № 5. P. 702–711. 2013. https://doi.org/10.1016/j.asr.2012.09.037
  15. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 62. № 8. P. 685–693. 2000. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00029-8
  16. Fotiadis D.N., Kouris S.S. A functional dependence of foF2 variability on latitude // Adv. Space Res. V. 37. № 5. P. 1023–1028. 2006. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.02.054
  17. Fraser-Smith A.C. Centered and eccentric geomagnetic dipoles and their poles, 1600–1985 // Rev. Geophys. V. 25. № 1. P. 1–16. 1987. https://doi.org/10.1029/RG025i001p00001
  18. Gustafsson G., Papitashvili N.E., Papitashvili V.O. A revised corrected geomagnetic coordinate system for epochs 1985 and 1990 // J. Atmos. Terr. Phys. V. 54. № 11–12. P. 1609–1631. 1992. https://doi.org/10.1016/0021-9169(92)90167-J
  19. Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model // J. Geophys. Res. – Space. V. 92. № 5. P. 4649–4662. 1987. https://doi.org/10.1029/JA092iA05p04649
  20. Jacchia L.G. Thermospheric temperature, density and composition: New models // SAO Special Report. № 375. 1977.
  21. Kilifarska N.A. Longitudinal effects in the ionosphere during geomagnetic storms // Adv. Space Res. V. 8. № 4. P. 23–26. 1988. https://doi.org/10.1016/0273-1177(88)90200-1
  22. Koochak Z., Fraser-Smith A. C. An update on the centered and eccentric geomagnetic dipoles and their poles for the years 1980–2015 // Earth and Space Science. V. 4. P. 626–636. 2017. https://doi.org/10.1002/2017EA000280
  23. Laštovička J., Burešova D. Relationships between foF2 and various solar activity proxies // Space Weather. V. 21. № 4. ID e2022SW003359. 2023. https://doi.org/10.1029/2022SW003359
  24. Lei J., Liu L., Wan W., Zhang S.-R. Variations of electron density based on long-term incoherent scatter radar and ionosonde measurements over Millstone Hill // Radio Sci. V. 40. № 2. ID RS2008 2005. https://doi.org/10.1029/2004RS003106
  25. Liu L., Wan W., Ning B., Pirog O.M., Kurkin V.I. Solar activity variations of the ionospheric peak electron density // J. Geophys. Res. – Space. V. 111. № 8. ID A08304. 2006. https://doi.org/10.1029/2006JA011598
  26. Ma R., Xu J., Wang W., Yuan W. Seasonal and latitudinal differences of the saturation effect between ionospheric NmF2 and solar activity indices // J. Geophys. Res. – Space. V. 114. № 10. ID A10303. 2009. https://doi.org/10.1029/2009JA014353
  27. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. – Space. V. 107. № 12. ID 1468. 2002. https://doi.org/10.1029/2002JA009430
  28. Pirog O., Deminov M., Deminova G., Zherebtsov G., Polekh N. Peculiarities of the nighttime winter foF2 increase over Irkutsk // Adv. Space Res. V. 47. № 6. P. 921–929. 2011. https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.11.015
  29. Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V. Diurnal, seasonal and solar activity pattern of ionospheric variability from Irkutsk Digisonde data // Adv. Space Res. V. 55. № 8. P. 2041–2047. 2015. https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.08.001
  30. Ratovsky K.G., Medvedeva I.V. Local empirical model of ionospheric variability // Adv. Space Res. V. 71. № 5. P. 2299–2306. 2023. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.10.065
  31. Richards P.G., Fennelly J.A., Torr D.G. EUVAC: A solar EUV flux model for aeronomic calculations // J. Geophys. Res. – Space. V. 99. № 5. P. 8981–8992. 1994. https://doi.org/10.1029/94JA00518
  32. Richards P.G., Woods T.N., Peterson W.K. HEUVAC: A new high resolution solar EUV proxy model //Adv. Space Res. V. 37. № 2. P. 315–322. 2006. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.06.031
  33. Rishbeth H., Mendillo M. Patterns of F2-layer variability // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 63. № 15. P. 1661–1680. 2001. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00036-0
  34. Shpynev B.G., Zolotukhina N.A., Polekh N.M. et al. The ionosphere response to severe geomagnetic storm in March 2015 on the base of the data from Eurasian high-middle latitudes ionosonde chain // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 180. P. 93–105. 2018. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.10.014
  35. Taylor J.R. An introduction to error analysis. Mill Valley, CA: Univer. Sci. Books, 270 p. 1982.
  36. Wrenn G.L. Time-weighted accumulations ap(t) and Kp(t) // J. Geophys. Res. – Space. V. 92. № 9. P. 10125–10129. 1987. https://doi.org/10.1029/JA092iA09p10125
  37. Wrenn G.L., Rodger A.S. Geomagnetic modification of the mid-latitude ionosphere - Toward a strategy for the improved forecasting of foF2 // Radio Sci. V. 24. № 1. P. 99–111. 1989. https://doi.org/10.1029/RS024i001p00099
  38. Zhang S.-R., Holt J.M. Ionospheric climatology and variability from long-term and multiple incoherent scatter radar observations: variability // Ann. Geophys. V. 26. № 6. P. 1525–1537. 2008. https://doi.org/10.5194/angeo-26-1525-2008

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependences of the average shift xave of the F2 layer maximum concentration on the latitudes of the inclined (TD) or eccentric (ED) dipole or corrected geomagnetic (CGM) latitudes for daytime (11–13 LT) and nighttime (23–01 LT) hours at increased geomagnetic activity according to the data in Table 1 (dots). Regression equations (6) for these data (solid lines), certainty coefficients R2 and standard deviations s for these equations.

Download (100KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of the average shift xave of the F2 layer maximum concentration on TD, ED or CGM latitudes for daytime (11–13 LT) and nighttime (23–01 LT) hours at high geomagnetic activity according to the data in Table 1 (dots). Regression equations (6) for these data (solid lines), certainty coefficients R2 and standard deviations s for these equations.

Download (102KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».