Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экспериментальные и теоретические исследования процессов в ионосфере во время суббурь (обзор) 12
I.I. Экспериментальные данные 13
1.1.1. Магнитосферная суббуря 13
1.1.2. Электрические поля в ионосфере и плазмо-сфере во время суббурь 16
1.1.3. Ионосферная суббуря 22
1.1.4. Прогноз ионосферных эффектов магнитосферных суббурь 29
1.2. Теоретические исследования эффектов суббурь в ионосфере средних широт 31
1.2.1. Эффекты электрических полей 31
1.2.2. Ионосферные эффекты внутренних гравитационных волн 40
Глава II. Вариации электронной концентрации в области во время суббурь 44
2.1. Закономерности изменения во время суббурь 45
2.1.1. Методика выделения эффектов суббурь и отбора исходных данных 45
2.1.2. Эффекты суббурь в параметрах ночного среднеширотного слоя 57
2.1.3. Поведение профилей электронной концентрации во время суббурь 78
2.2. Зависимость эффектов суббурь в слое 52 от местного времени и гелиогеофизических условий, взаимосвязи возмущений параметров максимума слоя 85
2.2.1. Взаимосвязи и статистические оценки средних значений возмущений параметров слоя Р2 во время суббурь 85
2.2.2. Связь между возмущением слоя Р2 во время суббурь и солнечной активностью 96
2.2.3. Связь возмущений в ночном среднеширотном слое Р2 с индексами авроральной активности 101
Глава III. Эффекты вжяния электрического поля и внутренних гравитащонных волн на динамику ночной области F .114
3.1. Эффекты влияния электрического поля и потока тепловой плазмы на динамику ночного слоя Р2. в одноионном приближении ± 115
3.1.1. Постановка задачи 115
3.1.2. Метод решения уравнения непрерывности 121
3.1.3. Поведение электронной концентрации при изменении потока ионов на верхней границе и действии электрического поля 127
3.1.4. Изменение электронной концентрации при одновременном воздействии на слой S2 электрического поля и изменяющегося потока ионов СҐ на верхней границе 130
3.2. Эффекты влияния электрического поля и ВГВ на изменение ионной и электронной концентрации в ночной среднеширотной ионосфере в двухионном приближении 135
3.2.1. Постановка задачи 135
3.2.2. Метод решения 139
3.2.3. Исследование зависимости решения от верхних граничных условий 146
3.2.4. Связь изменения высоты максимума слоя 52 со скоростью дрейфа и уровнем солнечной активности 155
3.2.5. Исследование зависимости параметров максимума слоя Р2 от продолжительности и амплитуды в озмущения 158
3.2.6. Эффекты ВГВ 161
Заключение 166
Литература 170
Приложение I. Таблицы данных по суббурям 191
- Прогноз ионосферных эффектов магнитосферных суббурь
- Поведение профилей электронной концентрации во время суббурь
- Поведение электронной концентрации при изменении потока ионов на верхней границе и действии электрического поля
- Исследование зависимости параметров максимума слоя Р2 от продолжительности и амплитуды в озмущения
Введение к работе
Суббуря в ионосфере средних широт является одним из проявлений сложной цепи взаимосвязанных процессов в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере из-за изменений параметров солнечного ветра, исследование которых является одной из наиболее важных проблем солнечно-земной физики.
Интерес к исследованию суббурь в ионосфере связан также с тем, что это наиболее часто повторяющееся явление при котором нарушается радиосвязь, поскольку изменения параметров ионосферы в эти периоды значительны.
Поэтому экспериментальное и теоретическое исследование суббурь в ионосфере и, в частности, динамики электронной концентрации в среднеширотной ночной области F, является одной из наиболее актуальных задач физики ионосферы, имеющей важное прикладное значение.
Выполненные в последние годы экспериментальные исследования, позволили установить ряд особенностей в изменении электронной концентрации и параметров максимума ночной среднеширотной области F во время изолированных суббурь. Однако, в большинстве исследований эффекты суббурь рассматривались на ограниченном числе примеров без должного статистического анализа данных.
Таким образом, в плане экспериментальных исследований является актуальным переход от описания тех или иных эффектов во время отдельных суббурь к выделению качественных и количественных закономерностей в изменении электронной концентрации ночной среднеширотной области F .
Изменение электронной концентрации в среднеширотной области F в период изолированных суббурь обычно объясняется изменением скорости дрейфа плазмы в скрещенных геомагнитном и электрическом полях и (или) генерацией внутренних гравитационных волн (ВГВ). В последние годы был выполнен ряд достаточно полных теоретических работ по моделированию эффектов электрических полей и ВГВ, которые позволяют объяснить часть из наблюдаемых эффектов. Однако ни в одной из моделей не удалось получить изменений электронной и ионной концентраций, которые бы согласовывались с экспериментально наблюдаемыми во всем интервале высот.
Поэтому актуальным является дальнейшая разработка моделей позволяющих исследовать путем численного эксперимента, роль различных физических факторов, влияющих на динамику ионосферы во время суббурь.
Перечисленный выше круг вопросов поведения ночной среднеширотной области Р во время изолированных суббурь определяет цель данной диссертации.
1. Исследовать закономерности динамики электронной концентра ции и параметров максимума ночной среднеширотной области F во время изолированных суббурь. На первом этапе выявить качествен ные закономерности поведения параметров максимума слоя, электрон ной концентрации в области Р. На втором этапе сделать статисти ческие оценки средних отклонений параметров максимума области от невозмущенных значений, исследовать количественные связи между ними.
Исследовать статистические связи между возмущениями параметров максимума ночной среднеширотной области F во время суббурь и индексами характеризующими солнечную и магнитную активность.
Разработать численную модель для расчета высотно-временных вариаций электронной и ионной концентраций, обусловленных изменением скорости плазмы за счет зонального электрического поля и ВГВ, в условиях ночной среднеширотной области Р. На основе этой модели исследовать изменение профилей электронной и ионной концентраций от скорости дрейфа, верхних граничных условий и уровня солнечной активности, что позволяет понять некоторые особенности поведения ночной среднеширотной области F во время суббурь.
Для этого необходимо выбрать моделирующие системы уравнений, параметрические модели электрического поля и ВГВ, найти методы численного решения этих уравнений, разработать алгоритм и составить программы реализующие их на ЭЦВМ.
Научная новизна работы определяется следующим.
Впервые на большом материале изучены закономерности поведения параметров максимума электронной концентрации среднеширотной области F в ночных условиях во время изолированных суббурь: а) получены точечные статистические оценки средних отклоне ний параметров максимума области от невозмущенных значений и их дисперсий; б) доказано наличие статистически значимой разницы в измене ниях высоты максимума области в предполуночном и послеполуночном секторах местного времени; в) установлены количественные связи между изменениями крити ческой частоты, высоты максимума области и продолжительности воз мущения в области; г) выявлены качественные и количественные закономерности из менения средней амплитуды подъема максимума области с солнечной активностью; д) установлены количественные связи между изменениями высо ты максимума слоя F2 и продолжительностью возмущения в слое с уровнем магнитной активности во время суббурь.
На численной модели проведен анализ высотно-временных вариаций электронной и ионной концентраций в ночной среднеширотной ионосфере на высотах 120-1000 км во время суббури при воздейст- вии на ионосферную плазму электрического поля и ВГВ. При этом впервые показано, что: а) запаздывание подъема слоя 2 относительно начала включе ния электрического поля связано с нестационарностью процесса, а учет изменения потока плазмы на верхней границе приводит к увели чению времени запаздывания; б) ограничение амплитуды подъема максимума слоя F2 связано с нелинейной зависимостью ее от скорости дрейфа;
,в) увеличение амплитуды подъема максимума слоя с солнечной активностью обусловлено в основном ростом температуры нейтральной атмосферы; г) вариации концентрации ионов 0*и Н+ ниже максимума области F - синфазны, выше - противофазны.
Практическая ценность результатов полученных в работе связана с их приложением к диагностике и прогнозу ионосферных эффектов во время суббурь. Установленные в работе количественные закономерности могут быть использованы для краткосрочного прогноза средних отклонений параметров максимума слоя F2 и корректировки максимально применимых частот во время суббурь.
Установленные в работе количественные связи между изменениями параметров максимума слоя F2 и индексами авроральной активности могут явиться основой для развития более точных методов прогноза этих параметров во время суббурь.
Проведенные в работе расчеты могут быть полезны для прогноза максимальных амплитуд подъема максимума слоя Р2 в цикле солнечной активности и диагностики эффектов суббурь.
На защиту выносятся результаты статистического и теоретического анализа (а) изменения электронной концентрации и параметров максимума ночной среднеширотной области Р во время изолированных суббурь; (б) связей изменения высоты максимума ночного среднеши- "ротного слоя Р2 и продолжительности возмущения в слое во время суббурь с солнечной и магнитной активностью; (в) высотно-вре-менных вариаций электронной и ионной концентраций в области F под действием зонального электрического поля и ВГВ во время суббурь.
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе, носящей в основном обзорный характер, рас-» сматриваются основные закономерности протекания магнитосферной суббури, распределение электрических полей во время суббурь в плазмосфере и ионосфере. Дается обзор основных результатов морфологических исследований поведения электронной концентрации в области F во время суббурь и работ посвященных прогнозу ионосферных эффектов суббурь.
Рассмотрены теоретические модели, созданные для описания поведения электронной концентрации в области F2 во время суббурь. Во второй главе описывается методика отбора данных ионосферных станций и анализа изменения электронной концентрации на высотах f]^hf2 во время изолированных суббурь в сред-неширотной ионосфере. Отдельно рассматриваются закономерности поведения высоты максимума области F2 для предполуночного, околополуночного и послеполуночного сектора местного времени. Исследуются и формулируются закономерности поведения электронной концентрации ниже максимума ночной среднеширотной области F во время суббурь. Полученные выводы сравниваются с результатами исследований других авторов.
Описывается методика отбора данных спутника "Алуэтт-2" для анализа эффектов суббурь в ночной внешней средне и низкоширотной ионосфере, проводится анализ поведения электронной концентрации в этой области во время суббурь. Формулируются закономер- иости поведения электронной концентрации во внешней ионосфере в периоды суббурь и сравниваются с результатами исследований, выполненных другими авторами.
По данным ряда ионосферных станций сделаны статистические оценки отклонений от невозмущенных значений параметров максимума ночного среднеширотного слоя F2 во время суббурь. Исследованы взаимосвязи возмущений параметров максимума слоя и их связь с гелио и магнитной активностью. Для исследования и установления качественных и количественных закономерностей использованы параметрические и непараметрические критерии проверки статистических гипотез, методы корреляционного и регрессионного анализа данных.
В третьей главе, сначала на простой модели для ионов кислорода в интервале высот 120-650 км исследуются эффекты зонального электрического поля и потока плазмы на верхней границе, затем на более сложной нелинейной двухионной модели в интервале высот 150-1000 км и'зучается поведение электронной и ионной концентрации при воздействии зонального электрического поля и ВГВ. Исследуется зависимость решения от верхних граничных условий и солнечной активности. Излагается метод решения системы уравнений.
Обсуждается применение полученных результатов для объяснения эффектов изменения электронной концентрации в ночной сред-неширотной области Р во время суббурь. Полученные результаты сравниваются с работами других авторов.
В заключении формулируются основные выводы диссертационной работы.
В приложении приведены таблицы используемых данных.
Основные результаты полученные в диссертации докладывались и обсуждались на "Юбилейной научно-технической конференции ра- дио-физического факультета (Томск, 1973 г.), на "Первой конференции молодых ученых" (Томск, 1974 г.), на "XXI конференции по радиоэлектронике" (Томск, 1974 г.), на "XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн" (Казань, 1975 г.), на научно-практической конференции "молодые ученые и специалисты Томскй области в девятой пятилетке" (Томск, 1975 г.), на "ІУ и УІ Межведомственных семинарах по моделированию ионосферы" (Томск, 1978, 1982 г.г.), на Всесоюзном семинаре "Магнитосфер-ные суббури" (Ленинград, 1982 г.), на Ш Всесоюзном семинаре по ионосферному прогнозированию (Калининград, 1983 г.). По теме диссертации опубликовано 20 работ.
Нумерация формул, таблиц, рисунков в данной работе производится по главам с указанием номера главы перед порядковым номером формул таблицы, рисунка. Используемая в работе литература приводится общим списком.
Прогноз ионосферных эффектов магнитосферных суббурь
Электрические поля в плазмосфере во время суббурь исследовались различными методами (см., например, [18, 50-58,63,66,189, I90J). Согласно этим исследованиям, во время суббурь электрическое поле в плазмосфере изменяется, достигая значений от нескольких десятых милливольта на метр до 20 мв/м [50-58, 63,66,189, I90J. В послеполуденном и вечернем секторах местного времени электрическое поле восточного направления появляется с началом фазы развития суббури [55, 58, 189, 190], в спокойных же условиях в этих секторах оно обычно направлено на запад [57J.
В предполуденные часы во время суббурь также наблюдается поле восточного направления 57j. В послеполуночные часы электрическое поле суббурь во время фазы развития суббури направлено на запад [18, 50-57J однако, в ряде случаев в конце фазы развития оно может менять направление с западного на восточное [53,56]. Согласно наблюдениям свистов во время суббурь на L = 4 в 23MLT электрическое поле меняет свое направление с восточного на западное, напряженность поля равна 0,17 мв/м (АЕ = 200-300/ ), 0,23 мв/м (АЕ = 300-500/"), 0,28 мв/м (AE 500j ) [66 j. Рассмотрим теперь электрические поля во время суббурь в средне-широтной ионосфере.
Исследованию электрических полей в среднеширотной и низкоширотной ионосфере прямыми и косвенными методами посвящен ряд работ (см., напр. [3, 17-33, 37-46, 48, 59,64,65,70,73-75,86,93, 101,129,138,172,176,183,195J ).
Рассмотрия сначала результаты исследования электрических полей во время суббурь методом некогерентного рассеяния. Измерения полного вектора скорости дрейфа во время трех суббурь, имевших место 30-31 октября 1973 г,, были выполнены в Сант-Сантине. Во время двух суббурь в дневные часы скорость дрейфа практически не менялась, во время суббури, имевшей место в вечернем СЄК-! торе местного времени, западная компонента скорости дрейфа возросла по сравнению со спокойными условиями приблизительно на 150 м/сек, северная компонента скорости дрейфа приблизительно на 100 м/сек, компонента скорости параллельной геомагнитному полю осталась практически неизменной. Такое изменение скорости дрейфа соответствует полному электрическому полю порядка 10 мв/м j[l7,I8j . Высота максимума слоя F2 в этом случае возросла на 100 км.
По данным станций некогерентного рассеяния Малверн и Сант-Сантин в ионосфере существуют две системы дрейфовых движений перпендикулярных геомагнитному полю: а) регулярная суточная система ветров, скорость которой в среднем колеблется в пределах +30 м/с; б) иррегулярная система дрейфов, связанная с суббурями со скоростями +120 м/с. Причем существует линейная зависимость скорости дрейфа с широтой, на ст. Сант-Сантин скорость дрейфа в 2-4 раза меньше, чем в Малверне [65].
В случае суббури 14-15 мая 1969 г., имевшей место в дневные часы от 14 до 16 іТ , проводились измерения только двух компонент скорости дрейфа; зональной и меридиональной. Зональная компонента скорости возросла на 200 м/сек, северная же компонента осталась практически неизменной. Высота максимума слоя F2 возросла на 150 км [I8,I9J. Как показали исследования, на ст. некогерентного рассеяния Малверн, в дневные часы электрические поля суббурь проникают до средних широт [64].
В ряде работ были предприняты попытки определить направление и величину зональной компоненты электрического поля во время суббурь по вариациям высоты максимума слоя F2 или высоты изоэлект-ронных уровней, при этом использовались данные ионозондов и доп-плеровского зондирования [20-33,38-41, 44,45,70,75,86,101,138, 176,183/ (см. также обзоры [3,46j ).
Парком и другими на основании исследования изменения, в основном, действующих высот на фиксированных частотах зондирования, как в предполуночном, так и послеполуночном секторах местного времени была сформулирована первая качественная картина поведения зональной компоненты электрического поля во время суб- бурь, согласно которой в предполуночном секторе электрическое поле имеет зональную компоненту, направленную на восток, в послеполуночном секторе - на запад [20,23,24j.
Однако, дальнейшее изучение динамики слоя Р2 во время суббурь показало, что такая модель поведения зональной компоненты электрического поля неверна. Так, нами было показано, что и в после-полуночном секторе зональная компонента электрического поля может быть направлена на восток [25,27,3. К такому же выводу пришли и авторы работ [29, 41]. Далее детальный анализ материалов, приведенных в работах Парка и других [20,23,24j, выполненный нами [28,I97,I98j , показал, что интерпретация этих данных,1 даваемая Парком и другими, ошибочна и нет никаких оснований утверждать, исходя из них, что зональная компонента электрического поля во время суббурь направлена на запад (см. также Гл. П). К аналогичным выводам, относительно поведения знака зональной компоненты электрического поля в среднеширотной ионосфере, пришли авторы работы [29J на основании как своих исследований динамики слоя F2 во время суббурь, так и анализа работ Парка и других.
Сомнения относительно как правильности, так и обоснованности поведения зональной компоненты электрического поля на средних широтах во время суббурь, данной Парком, было высказано также Пудовкиным и другими [3,46j. Пудовкин и другие, исследуя поведение "кроше" на фоне среднеширотной бухты, пришли к выводу, что электрическое поле реально существует в средних широтах во время суббурь и в ночные-утренние часы его зональная компонента направлена на восток [3,46,48]. Таким образом, двумя группами исследователей независимо и различными методами, одновременно было показано, что во время суббурь в среднеширотной ионосфере в ночные часы зональная компонента электрического поля направлена на восток.
Была сделана попытка выявить закономерности поведения высоты слоя Р2 во время суббурь от типа геомагнитных возмущений [70/. На ряде случаев было обнаружено, что при развитии токовой системы Р?т2 электрическое поле суббури в ночной среднеширотной ионосфере направлено на запад до 21 U и на восток после 21LT при развитии системы 0 PJJ заметных вариаций пт F2 не наблюдается. Однако, на более обширном материале было показано, что такая зависимость от типа геомагнитных возмущений не выявляется. Электрическое поле во время суббурь, как правило, направлено на восток в утреннем, ночном и вечернем секторах местного времени и лишь при возмущениях типа і)Рц в вечернем секторе наблюдается поле западного направления [75].
Поведение профилей электронной концентрации во время суббурь
Во время суббурь в области овала полярных сияний, за счет разогрева авроральной термосферы, высыпающимися авроральными частицами и токами, а также за счет передачи импульса заряжен-1 ных частиц нейтральным, при взаимодействии авроральных токов с магнитным полем, генерируются внутренние гравитационные волны, которые распространяясь в область средних широт приводят к перестройке профиля заряженных частиц и изменению теплового режима.
Генерация и распространение ВГВ во время суббурь рассматривались в ряде работ (см., например, 18,94,103,144,148-152, 205J ). В работе f103], для изотермической атмосферы в линейном приближении, получено аналитическое решение задачи о генерации во время суббури акустико-гравитационных волн, двумя текущими навстречу друг другу электроструями, с учетом джоулева нагрева и пондеромоторной силы взаимодействия токов с магнитным полем. Были рассмотрены случаи генерации волн гармоническими токами и серией импульсов гауссовой формы, для обеих случаев показано, что из-за частичной или полной компенсации пондеромоторных сил вблизи области стыка токов по долготе должна существовать область, где более эффективен тепловой источник генерации волн, а вне этой области преобладает генерация пондеромоторной силой.
Генерация и распространение ВГВ с учетом нелинейных эффектов, диссппации в двумерной постановке задачи была рассмотрена в работах [144,146,150]. В этих работах система уравнений гидродинамики решалась численно на ЭЦВМ. Источник генерации ВГВ определялся заданием пространственно-временных вариаций меридиональной составляющей электрического поля и проводимости в области аврорального овала. Форма временной вариации источника приближенно описывает наличие взрывной и восстановительной фазы суббури.
Результаты расчетов показали, что фаза возмущения распространяется сверху вниз, амплитуда возмущения из-за уменьшения плотности возрастает на высотах 140-200 км, выше, рост меняется падением амплитуды, вследствие диссипации энергии волны за счет вязкости и теплопроводности, что соответствует экспериментально наблюдаемым эффектам. Амплитуда возмущения и скорость распространения возрастают с увеличением проводимости и напряженности электрического поля в области генерации. Показано, что при включении в течение нескольких часов достаточно сильного электрического поля, даже при отсутствии вариаций проводимости, генерируются термосферные ветры с меридиональными скоростями выше 200 м/с [144,148].
В работах [117,187,205] , на основе приближенного аналитического решения одноионного уравнения непрерывности в амбиполяр-ном приближении, рассмотрены эффекты ВГВ во время суббури в слое F2 средних широт. В наиболее полной работе [205J в приближении слабой нелинейности получено выражение для меридиональной скорости смещения частиц нейтральной атмосферы при распространении уединенной ВГВ, которое затем подставлялось в уравнение непрерывности для ионов 0+. Возмущение меридиональной составляющей скорости включалось и выключалось ступенчато. Полученное решение позволяет по наблюдениям профиля электронной концентрации на одной станции определить горизонтальную составляющую скорости ВГВ, квазипериод и наклон фазового фронта. Для проверки адекватности полученного решения проводилось сравнение с экспериментально наблюдаемыми эффектами во время суббури. По наблюдениям на меридиональной цепочке станций определялось местоположение и момент времени генерации уединенной ВГВ, далее теоретически, используя полученное решение, рассчитывался наклон фронта над каждой станцией и по нему определялись время генерации и положение источника. Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволило сделать вывод о их непротиворечивости.
В работах [94,144,147] изучались эффекты ВГВ во время суббурь на моделях с учетом основных сортов ионов в интервале высот IOO-I0OO км. Было показано, что в ночные часы на средних широтах ВГВ вызывают уменьшение концентрации частиц в максимуме слоя F2 и ниже, увеличение выше максимума, эти изменения сильно зависят от фонового ветра, повышение высоты максимума слоя F2, небольшое увеличение полутолщины слоя, изменение полного электронного содержания. Нами (см. главу Ш) на более простой модели с учетом ионов 0+ и Н+ были получены аналогичные эффекты. При этом показано, что изменения концентрации ионов 0+ и Н+ могут быть противофазны на высотах внешней ионосферы.
Намгаладзе А.А. и другими в работе [143] был проведен сравнительный анализ теоретически предсказываемых эффектов электрических полей и ВГВ в дневной среднеширотной ионосфере во время суббурь. Оказалось, что вариации / 2 и 2 , вызываемые электрическими полями синфазны, а ВГВ почти противофазны и больше по величине, чем в случае электрического поля. Эти результаты могут быть полезны, как указывается в работе [143], при интерпретации эффектов суббурь по данным ионосферных наблюдений.
Известно, что не все суббури генерируют ВГВ, это возможно объясняется характеристиками аврорального источника возбуждения, такими как: интенсивность, высота расположения источника, широтные и долготные размеры [18].
Поведение электронной концентрации при изменении потока ионов на верхней границе и действии электрического поля
Заметим, что если рассматривать суббури лишь в те интервалы времени, когда изменения параметров слоя Р2, обусловленные суточным ходом, за характерное время возмущения, связанное с суббурей, невелики по сравнению с изменениями этих параметров во время суббурь, то, как показано нами в [ТЗЧ], влияние суточного хода на количественные значения изменения этих параметров можно практически не учитывать. В ночных условиях для этого нужно исключать периоды вблизи захода и восхода солнца.Особенно легко выделять эффекты суббурь на фоне суточного хода в зимние ночи, когда слой Р2 находится в квазистационарном состоянии. Следует отметить, что эффекты суббурь хорошо выделяются на фоне суточного хода в поведении высоты слоя F2, более трудно их выделять в изменениях критической частоты слоя, что связано с малыми изменениями F2 во время суббурь по сравнению с изменениями в суточном ходе.
Исследование эффекта суббури по данным нескольких ионосферных станций, разнесенных по долготе и широте, так же позволяет легко выделять его на фоне суточного хода. Нами при анализе эффектов суббурь, в основном, были использованы данные ионосферных станций Томска, Москвы, Свердловска, Ашхабада, Тбилиси за ряд лет при различных уровнях солнечной активности.
Для изучения поведения электронной концентрации внешней ионосферы во время суббурь были использованы данные внешнего зондирования со спутника "Алуэтт-2" [162,163].
В силу изменчивости параметров области F2 и внешней ионосферы в зависимости от многочисленных факторов, не представляется возможным определить уверенно эффекты ионосферных суббурь только по данным "Алуэтт-2", без привлечения дополнительной информации. В качестве такой дополнительной информации используются обычно данные о вариациях магнитного поля Земли, хотя это вовсе не означает наличия прямой связи между магнитными бухтами и соответствующими эффектами в ионосфере. Данные по магнитным бухтам привлекаются, главным образом, лишь постольку, поскольку привязка к ним по времени позволяет распознать те эффекты в ионосфере, которые отождествляются с суббурями. При непрерывной (во времени) регистрации ионосферных параметров и вариаций магнитного поля на средних широтах обычно удается выделить ионосферные суббури достаточно уверенно. Так, например, анализ данных наземного вертикального зондирования показывает, что в параметрах максимума слоя F2 общая продолжительность ионосферных суббурь на ночной стороне Земли составляет в среднем 3-5 час. [I8,20,38,45,128j. Выделение таких сравнительно непродолжительных эффектов в ионосфере по данным внешнего зондирования ионосферы со спутников затрудняется, главным образом, из-за отсутствия непрерывной регистрации ионосферных характеристик в той или иной точке.
В нашем случае для выделения эффекта суббурь в электронной концентрации ионосферы на высотах п 2000 км, кроме данных внешнего зондирования со спутника "Алуэтт-2", были привлечены данные наземных магнито-ионосферных измерений. В частности, ионосферные данные были взяты по ст.Томск ( = 56,3/ , Л = 85Е, геомагнитная широта Ф = 46,1, инвариантная широта Л - 52,4), а данные наземных магнитных измерений были приняты по ст. Диксон у = 73,5/1/ , Д = 80,4" , ф = 62,8, Л = 68,0 и м. Челюскин ( s 77,40 Д = 104,2Е , Ф = 66,1 , Л = 71,3). Эти станции были выбраны во-первых, из-за доступности данных (в частности, 15-ти минутных ионосферных измерений) и, во-вторых, потому, что их долготы не очень сильно отличаются от соответствующих долгот отдельных пролетов ИСЗ "Алуэтт-2", по которым использованы сведения по h (h)" профилям внешней ионосферы (см. ниже).
Для уверенного выделения эффекта суббурь в Уіе (300 h — 2000 км) среди различных случаев возьмем два.
Первый из них, к которому ниже будем ссылаться как к случаю А, соответствует выбору одной контрольной (спокойной) ночи и нескольких бухтообразных возмущений в магнитном поле Земли в ночные часы различных суток в течение одного и того же месяца, часть которых приходится на ночные часы суток, предшествующих контрольной ночи, а часть - последующих. К этому случаю отнесем суббури, которые имели место в сентябре 1967 г. Для этого случая рассмотренные данные наземных магнитно-ионосферных измерений в ночные часы приведены на рис.2.І. В верхней части рис. 2.1 приведены магнитограммы ст. Диксон за 27.IX. 1967 г., 24.IX.1967 г., II.IX.I967 г. и м. Челюскин (за 5.IX.1967 г.), в нижней части действующие высоты на частоте 1,0 МГц и критические частоты для этих же случаев и для спокойных условий 23.IX.1967 г. (пунктирная линия) по данным ст. Томск. Для станции Томск все магнитные бухты начались в пред-полунпчные часы. В параметрах максимума слоя F2 для всех суббурь выявляются типичные изменения: действующая высота слоя 2 с началом магнитной бухты начинает подниматься, а в момент наибольшего подъема слоя F2 или несколько уменьшается, или практически не меняется.
Исследование зависимости параметров максимума слоя Р2 от продолжительности и амплитуды в озмущения
В предполуночном секторе во время данной отрицательной бухты в f/ - компоненте имел место типичный подъем высоты слоя F2. Далее, вблизи местных околополуночных часов примерно от 17 час. 30 мин. до 20 час. после фазы восстановления ионосферной еуб-7РИ А» практически не испытывает никаких вариаций. Начиная примерно от 20 час. UT до 20 час. 45 мин. U T высота слоя F2 опустилась примерно на 20-25 км. Подъем высоты слоя F2 с амплитудой примерно 60 км четко прослеживается в интервале от 20 час. 45 мин. UT до 22 час. UT. Следует отметить, что опускание высоты слоя и последующее возвращение к исходному уровню происходит в течение примерно одного часа (20-21 час. ССТ). После 22 час. &Т слой с некоторыми нерегулярными вариациями опускается до исходного уровня примерно в 01. час. #7 Судя по магнитограммам обе. Мурманск, в указанные часы в Н-компоненте наблюдалась положительная бухта с крайне нерегулярной структурой. В обеих случаях при подъеме слоя хорошо видно уменьшение критической частоты, а на фазе восстановления рост в предполуночном секторе до несколько больших значений, чем до возмущения, в послеполуночном меньших, чем до возмущения .
Для ионосферной суббури из послеполуночного сектора 6.1.61 г. (рис. 2.5а) над ст. Томск удалось подобрать данные для соответствующих контрольных условий. Вообще говоря, в дан ном случае, в интервале примерно от 0 час. LT до 01. час. 50 мин. LT (т.е. до суббури) значения п0 в и hf ниже, чем в контрольных условиях. Наибольшее понижение п09 при мерно на 50 км приходится на 01 час. 20 мин После этого )і в течение примерно 30 мин. возвращается к исходному уровню. Четко выраженный подъем слоя, судя по изменениям h относительно контрольных условий, выявляется примерно от 02 час. до 04 час. 40 мин. LT . Таким образом, изучение этих ионосферных и магнитных суббурь показывает, что закономерностью проявления суббурь в ночные часы, является увеличение высоты слоя F2 на средних широтах. В отдельных случаях, как например, 6 января 1961 г. (рис.2.5а) перед этим подъемом наблюдается некоторое понижение высоты слоя Р2 в послеполуночные часы. Однако, отождествление этого понижения с эффектами ионосферных суббурь, как нам представляется, не может быть осуществлено уверенно и однозначно по раз-ным причинам (например, из-за известной изменчивости суточных вариаций параметров максимума слоя F2 ото дня ко дню даже в магнитно-спокойных условиях). Более того, мы склонны считать, что это понижение скорее всего не связано непосредственно с эффектом ионосферных суббурь послеполуночного сектора.
Наши выводы о подъеме слоя в околополуночном и послеполуноч-ном секторах не согласуются с результатами работ [20, 23, 24]. Поэтому, возможные причины этих расхождений представляется целесообразным обсудить более подробно, следуя в основном, нашим работам [28, 197, 198]. Рассмотрим результаты Парка и Мента [23J, среди которых к послеполуночному сектору относятся данные для четырех магнитных бухт, наблюдавшихся в ночные часы 29.ХП.І968Г., З.ХП.І968Г., І0.ХП.І968 г. и 6.ХП.І968 г. Среди них ситуация в среднеширотной ночной области F, наблюдавшаяся во время двух магнитных бухт З.ХП.І968 г., одна из которых началась (для ст. Уоллопс Айленд и Отэнфорд) в предполуночном секторе, а вторая в послеполуночном, будет обсуждаться ниже в связи с работой [24]. Ситуация в двух других случаях (6.ХП.1968г. и 10.ХП.1968г.), как отмечают сами авторы, является крайне сложной, поскольку магнитные суббури накладываются на сложные вариации и эти магнитные бухты нельзя рассматривать как изолированные. Что касается ситуации во время магнитных бухт 29.ХП.1968г., то она показана на рис.2.66 (рис. h из [23]). В данном случае первая магнитная бухта начинается вблизи 09 час. IIТ. Согласно [23J , h F на ст. Пойнт Аргуелло уменьшается из-за электрического поля западного направления. Далее, по мере того, как ослабевает интенсивность суббури, fj F возвращается к значением в спокойных условиях (например, вблизи 10 час. 30 мин. tlf в средних (спокойных) условиях h F = 25OJ-200 км). Вторая магнитная бухта начинается в 12 час. U Т и согласно [23J, h F опять начинает уменьшаться за счет электрического поля западного направления.
Насколько уверенна такая интерпретация этих данных? Нам представляется, что такая интерпретация данной ситуации и попытки связать с магнитными бухтами послеполуночного сектора понижение высоты слоя F2, а, следовательно, и электрические поля западного направления, не являются обоснованными. Действительно, на этой станции значения hF на f = 1,6 МГц вблизи 8 час. -8 час. 30 мин. ИТ и 10 час. ЗО мин. Т 29.ХП.І968 г., по-существу, мало чем отличаются от средних условий (рис. 3 из [23]). Во всяком случае, они лежат в пределах флуктуации hF ото дня ко дню даже в магнитноспокойных условиях. Вблизи 09 час. UT в вариациях hF 29.ХП. 1968г. имеет место "пичок", происхождение которого явно не имеет никакого отношения к рассматриваемой суббуре. Рассматривать же уменьшение h F между 09 час. 15 мин. UT и 10 час. (15-30 мин.) как эффект суббури не является обоснованным хотя бы потому, что эффекты суббурь на высотах ночной среднеширотной области F2 не бывают такими кратковременными. Далее предположим, что уменьшение hF между 09 час. CLT и 10 час. 15 мин. действительно связано с ионосферной суббурей и в 10 час. 30 мин. (IT 29.ХП. 1968 г. hF вернулась к уровню в спокойных условиях. Тогда за счет каких причин слой F2
