• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

Представлен обзор результатов наблюдения эффектов наиболее интересных ионосферных и магнитных бурь, которые имели место в 2018–2019 гг

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "Представлен обзор результатов наблюдения эффектов наиболее интересных ионосферных и магнитных бурь, которые имели место в 2018–2019 гг"

Copied!
52
0
0

Толық мәтін

(1)

МРНТИ 37.15.29 https://doi.org/10.26577/JPEOS.2022.v24.i1.i1

Л. Ф. Черногор

Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, Украина, г. Харьков e-mail: leonid.f.chernogor@gmail.com

ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ГЕОКОСМИЧЕСКИХ БУРЬ. 2

Аннотация. Представлен обзор результатов наблюдения эффектов наиболее интересных ионосферных и магнитных бурь, которые имели место в 2018–2019 гг. Ионосферные и магнитные бури рассматриваются как составные части геокосмических бурь. В соответствии с системной парадигмой Л. Ф. Черногора геокосмическая буря представляет собой комплекс процессов, вызванных солнечной бурей, сводящихся к синергетически взаимодействующим бурям в магнитном поле (магнитная буря), ионосфере (ионосферная буря), атмосфере (атмосферная буря) и электрическом поле атмосферно-ионосферно-магнитосферного происхождения (электрическая буря). На примере анализа конкретных магнитных и ионосферных бурь показано, что, кроме общих закономерностей, каждая буря имеет свои индивидуальные особенности.

Подтверждена целесообразность всестороннего исследования проявлений каждой новой геокосмической бури.

Подтверждено большое разнообразие ионосферных и магнитных бурь. Не обязательно слабая магнитная буря сопровождается слабой ионосферной бурей, а сильная – сильной. Ионосферная буря может быть однофазной (положительной или отрицательной) либо многофазной, когда фазы чередуются. Бури могут длиться от нескольких часов до многих суток. Бури сопровождаются как апериодическими вариациями, так и квазипериодическими. Последние вызываются атмосферными гравитационными волнами (периоды 10–

180 мин) и инфразвуком (период менее 5 мин). Из всех составляющих геокосмической бури, кроме академического, наибольший практический интерес представляют ионосферные бури. Именно эти бури ограничивают потенциальные характеристики радиосистем различного назначения (телекоммуникации, радионавигации, радиолокации, дистанционного радиозондирования, радиоастрономии). Показано, что ионосферные бури сопровождаются возникновением многолучёвости, уширением доплеровских спектров (и даже их развалом), значительными апериодическими и квазипериодическими вариациями доплеровского смещения частоты, амплитуды радиосигналов и траекторий радиоволн декаметрового диапазона. В частности, высота отражения радиоволн изменялась во время ионосферных бурь на 50–180 км. Концентрация электронов во время умеренных отрицательных ионосферных бурь уменьшалась до 2 раз, а в течение умеренных положительных ионосферных бурь она увеличивалось до 3 раз. Под действием атмосферных гравитационных волн относительная амплитуда квазипериодических вариаций концентрации электронов достигала 50%, а за счёт низкочастотного инфразвука она не превышала 0.7%.

Ключевые слова: геокосмическая буря, магнитная буря, ионосферная буря, магнитометр, ионозонд, многочастотный многотрассовый радиотехнический комплекс, наклонное зондирование ионосферы, доплеровское смещение частоты, доплеровский спектр, амплитуда сигнала, компоненты магнитного поля, концентрация электронов, волновые возмущения

Л. Ф. Черногор

В.Н. Каразин атындағы Харьков ұлттық университеті, Украина, Харьков қ.

e-mail: leonid.f.chernogor@gmail.com

Геоғарыштық дауылдардың физикалық әсері. 2-бөлім

Аңдатпа. 2018–2019 жылдары болған ең қызықты ионосфералық және магниттік дауылдардың әсерін бақылау нәтижелеріне шолу ұсынылған. Ионосфералық және магниттік дауылдар геоғарыштық дауылдардың құрамдас бөлігі ретінде қарастырылады. Л.Ф.Черногордың жүйелі парадигмасына сәйкес, геоғарыштық дауыл – бұл магнит өрісіндегі (магниттік дауыл), ионосферада (ионосфералық дауыл), атмосферадағы (атмосфералық дауыл) және синергетикалық өзара әрекеттесетін дауылдарға дейін төмендеген күн дауылынан туындаған процестер кешені.

электр өрісі атмосфералық-ионосфералық-магнитосфералық шығу тегі (электрлік дауыл). Мысал ретінде нақты магниттік және ионосфералық дауылдарды талдауды пайдалана отырып, жалпы заңдылықтардан басқа, әрбір дауылдың өзіне тән жеке ерекшеліктері бар екендігі көрсетілген.

(2)

дауыл міндетті түрде әлсіз ионосфералық дауылмен бірге жүрмейді, ал күшті күшті күшті.

Фазалар алмасып тұрғанда ионосфералық дауыл бір фазалы (оң немесе теріс) немесе көп фазалы болуы мүмкін. Дауылдар бірнеше сағаттан бірнеше күнге дейін созылуы мүмкін. Дауылдар апериодтық және квазипериодтық вариациялармен бірге жүреді. Соңғылары атмосфералық гравитация толқындары (периодтар 10–180 мин) және инфрадыбыс (период 5 минуттан аз) әсер етеді. Геоғарыштық дауылдың барлық құрамдас бөліктерінің ішінде академиялық құрамдастардан басқа, ионосфералық дауылдар ең үлкен практикалық қызығушылық тудырады. Дәл осы дауылдар әртүрлі мақсаттағы радиожүйелердің потенциалды сипаттамаларын шектейді (телекоммуникациялар, радионавигация, радиолокаторлар, қашықтықтан радиозондылау, радиоастрономия). Ионосфералық дауылдар көп жолдың пайда болуымен, Доплер спектрлерінің кеңеюімен (тіпті олардың құлдырауымен), Доплер жиілігінің ығысуындағы маңызды апериодтық және квазипериодтық өзгерістермен, радиосигналдардың амплитудасымен және радио траекторияларымен бірге жүретіні көрсетілген. декаметрлік диапазондағы толқындар. Атап айтқанда, радиотолқындардың шағылу биіктігі ионосфералық дауылдар кезінде 50–180 км-ге өзгерді. Орташа теріс ионосфералық дауылдар кезінде электрондардың концентрациясы 2 есеге дейін төмендеді, ал орташа оң ионосфералық дауылдар кезінде ол 3 есеге дейін өсті.

Атмосфералық гравитация толқындарының әсерінен электрондар концентрациясының квазипериодтық ауытқуларының салыстырмалы амплитудасы 50%-ға жетті, ал төмен жиілікті инфрадыбыстың әсерінен ол 0,7%-дан аспады.

Түйін сөздер: геоғарыштық дауыл, магниттік дауыл, ионосфералық дауыл, магнитометр, ионзонд, көпжиілікті көпжолды радиотехникалық кешен, ионосфераның қиғаш зондтауы, жиіліктің доплерлік ығысуы, доплерлік спектр, сигнал амплитудасы, магнит өрісінің құрамдас бөліктері, электрондардың концентрациясы, толқынның бұзылуы.

L. F. Chernogor

Kharkiv National University., Ukraine, Kharkov e-mail: leonid.f.chernogor@gmail.com

Physical effects of geocosmic storms. Part 2

Abstract. A review of the results of observing the effects of the most interesting ionospheric and magnetic storms that took place in 2018–2019 is presented. Ionospheric and magnetic storms are considered as components of geocosmic storms. In accordance with the systemic paradigm of L.F.

Chernogor, a geocosmic storm is a complex of processes caused by a solar storm, reduced to synergistically interacting storms in a magnetic field (magnetic storm), ionosphere (ionospheric storm), atmosphere (atmospheric storm) and electric field atmospheric-ionospheric-magnetospheric origin (electric storm). Using the analysis of specific magnetic and ionospheric storms as an example, it is shown that, in addition to general patterns, each storm has its own individual characteristics. The expediency of a comprehensive study of the manifestations of each new geocosmic storm has been confirmed. A wide variety of ionospheric and magnetic storms have been confirmed. A weak magnetic storm is not necessarily accompanied by a weak ionospheric storm, while a strong one is accompanied by a strong one. An ionospheric storm can be single-phase (positive or negative) or multi-phase, when the phases alternate. Storms can last from several hours to many days. Storms are accompanied by both aperiodic and quasi-periodic variations. The latter are caused by atmospheric gravity waves (periods 10–

180 min) and infrasound (period less than 5 min). Of all the components of a geocosmic storm, except for academic ones, ionospheric storms are of the greatest practical interest. It is these storms that limit the potential characteristics of radio systems for various purposes (telecommunications, radio navigation, radar, remote radio sounding, radio astronomy). It is shown that ionospheric storms are accompanied by the appearance of multipath, broadening of the Doppler spectra (and even their collapse), significant aperiodic and quasi-periodic variations in the Doppler frequency shift, the amplitude of radio signals, and the trajectories of radio waves in the decameter range. In particular, the height of reflection of radio waves changed during ionospheric storms by 50–180 km. The electron concentration during moderate negative ionospheric storms decreased up to 2 times, and during moderate positive ionospheric storms it increased up to 3 times. Under the action of atmospheric gravity waves, the relative amplitude of quasi- periodic variations in the electron concentration reached 50%, and due to low-frequency infrasound, it did not exceed 0.7%.

Key words: geospace storm, magnetic storm, ionospheric storm, magnetometer, ionosonde, multifrequency multipath radio engineering complex, oblique sounding of the ionosphere, Doppler

(3)

frequency shift, Doppler spectrum, signal amplitude, magnetic field components, electron concentration, wave disturbances.

Введение

В части 1 этой работы представлен обзор взаимосвязи солнечно-земных процессов, проявлений геокосмических бурь и вариаций атмосферно-космической погоды [1]. Эффекты геокосмических бурь проанализированы с позиций системной парадигмы. Системой, в которой развиваются геокосмические бури, является объект Солнце – межпланетная среда – магнитосфера – ионосфера – атмосфера – Земля (внутренние оболочки) (СМСМИАЗ).

Отмечалось, что исследование физических эффектов геокосмических бурь (ГБ) – важнейшее научное направление в космической геофизике. Обосновано, что проблема взаимодействия подсистем в системе СМСМИАЗ в течение ГБ – междисциплинарная, для ее решения требуется системный подход. Показано, что проблема носит многофакторный характер.

Реакция подсистем определяется одновременным (синергетическим) воздействием ряда возмущающих факторов.

Важно, что система СМСМИАЗ – открытая, нелинейная и нестационарная. В ней обнаруживаются прямые и обратные, положительные и отрицательные связи.

Ввиду многогранности проявлений геокосмических бурь, из-за уникальности каждой бури изучение физических эффектов геокосмических бурь далеко до завершения.

Кроме задач всестороннего исследования физических эффектов геокосмических бурь, во весь рост стоят задачи их детального адекватного моделирования и прогнозирования. Их решение будет способствовать выживанию и устойчивому развитию нашей цивилизации, овладевающей все более совершенными и сложными технологиями. Чем больше будет технологическое развитие землян, тем больше будет уязвима инфраструктура цивилизации к воздействиям солнечных и геокосмических бурь. В работах [2, 3]

предложена классификация ГБ по величине

предложен индекс ГБ. Предложена классификация ионосферных бурь (ИБ) и возмущений по величине изменения концентрации электронов в максимуме слоя F2. Введено пять типов ИБ. Предложен ионосферный индекс, описывающий интенсивность отрицательных и положительных ионосферных бурь.

Предложена классификация ионосферных бурь и возмущений по величине изменения концентрации электронов в нижней ионосфере. Введено шесть типов положительных ИБ. Предложен соответствующий ионосферный индекс.

Установлена физическая схема развития каждой группы ионосферных бурь и возмущений. Показана взаимосвязь магнитной, ионосферной, атмосферной и электрической бурь.

В части 2 будут детально рассмотрены геокосмические бури, имевшие место в 2018–2019 гг. Приведены результаты наблюдений эффектов этих бурь.

Ввиду большой практической значимости основное внимание в многочисленных работах уделено изучению особенностей ионосферных бурь и меньшее внимание – особенностей магнитных бурь [4–108].Одни из работ стали классическими [4, 6, 9, 10, 12, 14, 18, 20, 28, 30, 39]. В других работах изучались особенности отдельных ИБ. Значительное внимание уделялось ионосферным супербурям, которые имели место 19–20 ноября 2003 г., 7–8 ноября 2004 г. и 9–11 ноября 2004 г.

(см., например, [25–27, 29, 31–36, 41, 109]).

В последнее время много публикаций посвящено наиболее сильной буре 24-го цикла солнечной активности, имевшей место 17–18 марта 2015 г. [42–57, 63, 65, 67, 70, 75, 76, 79–81, 96, 97], а также по-своему уникальной буре 7–8 сентября 2017 г. [64, 66, 68, 72–74, 82–84, 93, 94]. Заметно меньшее внимание уделялось более слабым бурям [86–88, 98, 102, 105–109].

Основное внимание мы посвятим не

(4)

Практическая значимость исследования геокосмических и, в частности, ионосферных бурь, заключается в определяющем их влияние на распространение радиоволн почти всех диапазонов и, в первую очередь, на распространение ВЧ радиоволн, на работу радиолиний и радиосистем различного назначения [58, 59, 68, 72, 74, 78, 80, 89, 92, 96, 105–107, 110].

Ионосферная буря – одна из составляющих геокосмической бури.

Обычно ионосферная буря сопровождается магнитной бурей, значительными возмущениями параметров нейтральной атмосферы (атмосферной бурей) и электрического поля атмосферного, ионосферного и магнитосферного происхождения (электрической бурей) [1–3].

Ионосферным бурям посвящено большое количество работ (см., например, [4–108]). Бури сильнее всего проявляются в высоких широтах, меньше – на средних широтах, но эффекты бурь наблюдаются даже в низких широтах. Различают положительные и отрицательные ионосферные бури (см., например, [6]).

Во время положительных

ионосферных бурь концентрация электронов N в F-области ионосферы может увеличиваться в несколько раз, во время отрицательных ионосферных бурь, напротив, N в F-области ионосферы может уменьшаться в 10 и более раз. Кроме N, в ионосфере изменяются температуры электронов и ионов, скорость движения плазмы, электрическое поле и т. д.

E-область ионосферы подвержена возмущениям в меньшей степени, чем F- область ионосферы.

Сильно подвержена возмущениям D- область ионосферы. Во время как положительных, так и отрицательных бурь, значения N в D-области ионосферы за счет

высыпания из магнитосферы

высокоэнергичных частиц могут увеличиваться на 3 – 4 порядка.

ИБ сопровождаются генерацией волновых возмущений в атмосфере, ионосфере и геомагнитном поле в широком диапазоне периодов.

Во время бурь активизируется взаимодействие подсистем в системе Солнце – межпланетная среда – магнитосфера – ионосфера – атмосфера – Земля (СМСМИАЗ) [1–3].

Добавим, что проявления ИБ отличаются большим разнообразием. Эти проявления зависят не только от процессов на Солнце, географических координат места наблюдения, но и от времени года, времени суток, местного времени, предшествующего состояния ионосферы и т.п. [1–3]. Можно утверждать, что нет двух подобных ионосферных бурь. Естественно, что сильная магнитная буря сопровождается сильной ИБ, а слабая – слабой бурей.

Удивительно, что сильная магнитная буря может сопровождаться слабой ионосферной бурей (или ее отсутствием) и наоборот [1–3].

Поэтому представляет значительный интерес детальное изучение каждой новой ИБ, в том числе достаточно сильной.

Ионосферные бури прошлых лет описаны в целом ряде работ автора настоящей статьи [22–24, 29, 31–36, 92, 105–110], а также суммированы в монографии [2].

Эффекты геокосмической бури 26 августа 2018 г.

Общие сведения

Особенность этого раздела заключается в том, что при помощи оригинального многотрассового радиотехнического комплекса изучены не только влияние бури на распространение ВЧ-радиоволн на многих трассах одновременно, но и индивидуальные проявления ИБ [105]. Этой буре посвящены также работы [86–88, 98, 102].

ИБ существенно возмущают ионосферный радиоканал. Эти возмущения оказывают значительное воздействие на характеристики радиоволн почти всех диапазонов (от мириаметровых до сантиметровых). Больше всего влиянию подвержены декаметровые (ВЧ) радиоволны. Во время отрицательных ИБ резко снижаются возможности ионосферного канала для ВЧ-радиоволн, поскольку радиоволны с частотой f > 4 –

(5)

10 МГц не способны отражаться от возмущенной ионосферы (меньшая частота относится к ночному времени, а бо́льшая – к дневному времени). Увеличение N в D- области ионосферы приводит к значительному росту поглощения радиоволн различных диапазонов [110].

Радиофизические эффекты ИБ в настоящее время изучены недостаточно [58, 59, 68, 72, 74, 78, 80, 89, 92, 96, 105–107, 110].

С другой стороны, исследование вариаций характеристик радиоволн ВЧ- диапазона во время ИБ позволяет судить о процессах в ионосфере, вызванных бурями.

На этом основан радиофизический мониторинг динамических процессов в ионосфере.

Для изучения ИБ используются мировая сеть ионозондов [65, 71, 100, 104], радары некогерентного рассеяния [22–24, 29, 31–36, 93], GPS-технология [48, 49, 58, 75, 82, 87], наклонное зондирование ионосферы (НЗИ) [68, 72, 74, 92, 105–110] и другие средства [67, 91, 102]. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки. Так, ионозонды размещены по земному шару крайне неравномерно, они дают информацию о динамике ионосферы лишь над местом дислокации, типичный темп зондирования составляет один раз в 15 мин.

Радары некогерентного рассеяния находятся в основном в западном полушарии, по два радара имеется в Европе и Азии. Из-за высокой стоимости радаров и измерений с их помощью непрерывный мониторинг ионосферы вряд ли возможен. GPS- технологии имеют ограниченную информативность, приемные средства обычно расположены на суше.

От перечисленных недостатков в значительной степени свободен метод НЗИ.

Он отличается высокой чувствительностью, простотой реализации, охватом значительных регионов (вплоть до глобального масштаба), возможностью непрерывного мониторинга и низкой стоимостью. При использовании мировой сети радиопередающих средств метод НЗИ не требует собственных радиопередающих устройств. В этом случае комплексы НЗИ не

помех в используемом радиодиапазоне. В изучении радиофизических и геофизических эффектов ИБ заключается актуальность темы исследований.

По указанным причинам непрерывный мониторинг характеристик радиоволн и параметров ионосферы в спокойных и возмущенных условиях при помощи метода НЗИ является актуальной радиофизической и геофизической задачей.

Цель настоящего раздела – изложение результатов наблюдения при помощи когерентного многотрассового радиотехнического комплекса радиофизических и геофизических эффектов ИБ, имевшей место 26 августа 2018 г. [105].

Средства наблюдения

В соответствии с Договором о научно- техническом сотрудничестве, заключенном Харьковским национальным университетом имени В. Н. Каразина (ХНУ) (Украина) и Харбинским инженерным университетом (ХИУ) (КНР) разработан, изготовлен и введен в строй в апреле 2018 г. когерентный многочастотный многотрассовый радиотехнический комплекс НЗИ, предназначенный для непрерывного радиофизического мониторинга динамических процессов в ионосфере, вызванных вариациями космической и атмосферной погоды, воздействием высокоэнергетических источников космического и земного происхождения, взаимодействием подсистем в системе СМСМИАЗ.

Комплекс расположен на территории ХИУ (г. Харбин, КНР). Его географические координаты: 45.78N, 126.68E [92, 105–108].

Комплекс состоит из приемной активной антенны, работающей в диапазоне частот f  10 кГц – 30 МГц, радиоприемного устройства SDR USRP №210 LFRX LRTX и персонального компьютера. Комплекс использует оригинальное программное обеспечение.

В настоящее время комплекс работает в диапазоне частот f  5 – 10 МГц. Количество радиотрасс и их ориентация определяются кругом решаемых задач. Для исследования

(6)

использовались 7 из 14 радиотрасс, схематически изображенных на рис. 1.

Основные сведения об этих трассах приведены в табл. 1.

Методика обработки

Для мониторинга быстро протекающих ионосферных процессов для каждой из трасс измерялись доплеровские смещения частоты (ДСЧ) и амплитуда сигнала. Применение авторегрессионного анализа [111] для спектрального оценивания позволило достичь разрешающей способности по частоте 0.02 Гц при разрешающей способности по времени 7.5 с.

Анализу подлежали временны́е зависимости доплеровских спектров (ДС). В них содержалась информация о нестационарных процессах в ионосфере.

Состояние космической погоды Магнитная буря 25–26 августа 2018 г.

была самой сильной в этом году.

Опишем кратко состояние космической погоды в интервале времени с 23 по 29 августа 2018 г. (рис. 2). Всплески концентрации частиц nsw в солнечном ветре наблюдались 24, 25 и 26 августа 2018 г.

Наибольший всплеск (от 3–4 до 15–20 см–3)

имел место в ночь с 25 на 26 августа 2018 г.

Скорость частиц Vsw солнечного ветра изменялась в пределах от 300 до 600 км/с.

Температура частиц Tsw в солнечном ветре 26 августа 2018 г. выросла от 5104 до 3105 К.

Динамическое давление psw в солнечном ветре 25 и 26 августа 2018 г.

увеличивалось от 0.3 до 3 нПа. Тепловое давление было меньше почти на порядок (до 0.6 нПа).

Компонента Bz межпланетного магнитного поля достигла значений 6 и 9 нТл соответственно 24 и 25 августа 2018 г.

Отрицательные значения Bz свидетельствовали о наступлении на Земле магнитной бури.

Функция Акасофу A, представляющая собой мощность, внедряемую в магнитосферу Земли, увеличилась в ночь с 25 на 26 августа 2018 г. от 1 до 30 ГДж/с и более. В геокосмосе возникла буря. Индекс AE вырос от 100 до 1500 нТл, индекс Kp – от

1 до 7, а Dst-индекс сначала увеличился от

0 до 20 нТл, а после 17:00 25 августа 2018 г. стал уменьшаться примерно до –170 нТл.

Отрицательные значения Dst-индекса имели место в течении еще нескольких суток.

Новый

(7)

Рисунок 1 – Схема приемника и передатчиков. Схематическое изображение путей распространения между приемной системой в городе Харбин и передатчиками в разных местах, которые использовались для наблюдения эффектов ионосферных бурь.

рост индекса Kp до 6 отмечался 27 августа 2018 г. Это означает, что магнитная буря различной интенсивности регистрировалась с 25 по 28 августа 2018 г.

Состояние ионосферы

контролировалось при помощи ионозонда DPS-4, который функционирует в Республике Корея (37.14N, 127.54E) [URL https://lgdc.uml.edu/common/DIDBYearListFo rStation?ursiCode=IC437)]. На рис. 3 приведена временная зависимость критической частоты слоя F2. Из рис. 3

видно, что примерно с 22:00 25 августа 2018 г. и до 14:00 26 августа 2018 г. значения частоты foF2 превышали в 1.3–1.7 раза эти же значения в контрольный день 28 августа 2018 г. Это свидетельствует о том, что имела место положительная ИБ. Более того, она сопровождалась неоднократными уменьшениями на 1.5–2 МГц значений foF2. Это означает, что ионосферная буря была многофазной: положительные всплески foF2

сменялись отрицательными провалами в зависимости foF2(t).

(8)

Таблица 1. Основные сведения о радиотрассах

Частота, кГц

Координаты передатчика, Широта/ Долгота

Местораспол ожение (страна)

Расстояние до Харбина,

км

Координаты середины

трассы, Широта/ Долгота 5000 34.95°N/

109.56°E

Lintong/

Pucheng (China)

1875 40.37°N

118.12°E 6015 37.21°N/

126.78°E

Hwaseong (Korea)

950 41.50°N

126.73°E 6055 35.47°N/

140.21°E

Chiba/

Nagara (Japan)

1610 40.63°N

133.45°E 6080 49.18°N/

119.72°E

Hailar/

Nanmen (China)

645 47.48°N

123.2°E 6175 39.75°N/

116.81°E

Beijing (China)

1050 42.77°N

121.75°E 6600 37.60°N/

126.85°E

Goyang (Korea)

910 41.69°N

126.77°E 7260 47.80°N/

107.17°E

Ulaanbaatar/K hon-khor (Mongolia)

1496 46.79°N

116.93°E 7295 62.24°N/

129.81°E

Yakutsk (Russia)

1845 54.01°N

128.25°E 7345 62.24°N/

129.81°E

Yakutsk (Russia)

1845 54.01°N

128.25°E 9500 38.47°N/

114.13°E

Shijiazhuang (China)

1310 42.13°N

120.41°E 9520 40.72°N/

111.55°E

Hohhot (China)

1340 43.25°N

119.12°E 9675 39.75°N/

116.81°E

Beijing (China)

1050 42.77°N

121.75°E 9750 36.17°N/

139.82°E

Yamata (Japan)

1570 40.98°N

133.25°E 9830 39.75°N/

116.81°E

Beijing (China)

1050 42.77°N

121.75°E

Результаты наклонного зондирования ионосферы

Наблюдения эффектов ионосферной бури выполнены на 7 трассах. Далее опишем поведение временны́х вариаций ДС для 25 – 28 августа 2018 г. Основные проявления бури имели место 26 августа 2018 г.

Рассмотрим радиотрассу Hwaseong – Harbin. Радиостанция, излучающая на частоте 6015 кГц, находится в Республике Корея.

Расстояние между радиопередающим и радиоприемным устройствами R  950 км.

Радиостанция излучает с 03:30 до 24:00 (здесь и далее UT). Бо́льшую часть времени радиоволна отражалась от стабильной E- области ионосферы, а также от слоя Es. При этом ДСЧ fD  0 Гц. Амплитуда сигнала A

уменьшилась в дневное время по сравнению с ночным временем.

25 августа 2018 г. бо́льшую часть времени fD  0 Гц (рис. 4). После захода Солнца ДС уширялись на ±1.5 Гц, сигнал становился многомодовым. С 11:00 до 14:00 наблюдались квазипериодические вариации ДСЧ с периодом T  30 мин и амплитудой fDa  0.15 – 0.20 Гц. После восхода Солнца ДСЧ увеличилось от 0 до 0.4 – 0.7 Гц. Это продолжалось в течение интервала времени

T  90 мин.

26 августа 2018 г. с 04:00 и до 16:00 ионосфера была возмущена. До захода Солнца на Земле почти все время fD < 0.

Сигнал был практически одномодовым.

Перед заходом Солнца f  – 0.5 Гц. В

(9)

интервале времени 10:00 – 12:00 постоянная

Рисунок 2 – Временны́е вариации основных параметров, описывающих состояние космической погоды (панели сверху вниз): временные вариации параметров солнечного ветра: концентрации nsw, радиальной скорости Vsw, температуры Тsw [Space Weather Prediction Center. National Oceanic and Atmospheric Administration], и рассчитанных значений динамического давления psw, Вy-(точки) и Bz-(линия) компонент межпланетного магнитного поля [Space Weather Prediction Center. National Oceanic and Atmospheric Administration], рассчитанных значений энергии εA, передаваемой солнечным ветром магнитосфере Земли в единицу времени, АЕ-индекса [World Data Center for Geomagnetism, Kyoto.], Kp-индекса [World Data Center for Geomagnetism, Kyoto], Dst-индекса [World Data Center for Geomagnetism, Kyoto] в течение 23 – 29 августа 2018 г.

(10)

Рисунок 3 – Временны́е вариации частоты foF2 (панели сверху вниз) 25, 26, и 27 августа 2018 г., измеренные на ионозонде, функционирующем в Республике Корея. Точки соответствуют временным вариациям частоты foF2 28 августа 2018 г. (контрольные сутки).

составляющая ДСЧ Гц.

Наблюдалось квазипериодическое колебание ДСЧ с T  60 мин, fDa  0.35 Гц,

T  160 мин. В 12:20 ДСЧ резко увеличилось от –0.3 до fDmax  0.8 Гц. Затем наблюдалось постепенное уменьшение

0 Гц, которое имело место примерно в 14:00.

При этом на медленные вариации накладывалось квазипериодическое колебание с T  60 мин и fDa  0.2 Гц. В интервале времени 14:00 – 16:40 амплитуда сигнала уменьшилась почти на порядок.

D 0.35 f  

(11)

Рисунок 4 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Hwaseong – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г. Вертикальными штриховыми линиями здесь и далее показаны моменты захода и восхода Солнца на высоте 0 и 100 км,

(12)

восхода Солнца на уровне Земли наблюдалось увеличение ДСЧ и амплитуды сигнала. Это продолжалось 50 – 60 мин.

27 августа 2018 г. почти все время fD  0 Гц. С 08:00 и до 13:30 наблюдалась многомодовость сигнала. При этом уровень флуктуаций ДСЧ достигал ±1.5 Гц. В ночное время fD  0 Гц. Незначительное усиление многомодовости отмечалось после восхода Солнца.

28 августа 2018 г. в дневное и ночное время fD  0 Гц. Примерно за 2 часа до захода Солнца на Земле ДСЧ постепенно уменьшалось от 0 до –0.4 Гц, отмечалось колебание с T  20 мин и fD  0.1 Гц. С 10:00 и до 15:00 амплитуда квазипериодических колебаний изменялась от 0.1 до 0.5 Гц. В ночное время fD  0 Гц. После восхода Солнца, точнее в интервале времени 21:00 – 22:00, наблюдались скачки как ДСЧ, так и амплитуды.

Опишем эффекты на радиотрассе Chiba – Harbin. Радиостанция, работающая на частоте 6055 кГц, дислоцирована в Японии.

Для нее R  1613 км. Радиостанция выключается с 15:00 до 22:00.

25 августа 2018 г. в интервале времени 01:00 – 04:00 амплитуда сигнала была незначительной и доплеровские измерения были неэффективны (рис. 5). С 06:00 и до 10:00, т.е. в послеполуденное время сигнал был в основном двухмодовым. Для одной моды, которая отражалась от слоя E, ДСЧ было  0 Гц. Для второй моды fD уменьшалось от 0 до –0.6 Гц. На медленное уменьшение ДСЧ накладывались квазипериодические вариации с T  60 мин и fDa  0.2 Гц. Примерно с 10:00 и до 15:00 наблюдался полный «развал» ДС. Основная мода регистрировалась неуверенно. 26 августа 2018 г. с 00:20 и до 03:30 уровень сигнала был незначительным. В интервале времени 03:30 – 08:00 сигнал был практически одномодовым, наблюдались квазипериодическое колебание ДСЧ с T  45 – 50 мин и fDa  0.15 – 0.40 Гц. С 08:00 и до 12:00 отмечался полный развал ДС.

С 12:00 и до 15:00 уверенно

регистрировалось колебание ДСЧ основной моды с T  60 мин и fDa  0.3 – 0.4 Гц.

27 августа 2018 г. поведение ДС в значительной мере напоминало их поведение 25 августа 2018 г.

28 августа 2018 г. в отличие от 25 и 27 августа 2018 г. ДС были скорее одномодовыми. После захода Солнца резко увеличилась амплитуда квазипериодических вариаций ДСЧ с T  60 мин и fDa  0.6 Гц.

Это продолжалось примерно до 13:00.

Охарактеризуем эффекты на радиотрассе Hailar – Harbin. Радиостанция, излучающая на частоте 6080 кГц, находится на территории Китая. При этом R  646 км.

25 августа 2018 г. радиопередающее устройство выключалось в интервале времени 05:00 – 09:00. В дневное время ДС были скорее одномодовыми, в остальное время суток – многомодовыми (рис. 6). В интервалах времени 16:00 – 20:00 и 21:00 – 22:00 из-за уменьшения амплитуды сигнала наблюдался «развал» доплеровских спектров.

26 августа 2018 г. радиопередающее устройство выключалось с 03:00 и до 09:00.

В интервале времени 09:00 – 12:00 имели место резкие знакопеременные вариации ДСЧ (от –1.2 до +0.5 Гц). С 12:00 и до 14:00 спектр был многомодовым. Полный

«развал» ДС наблюдался с 16:00 до 20:00.

27 августа 2018 г. основная мода в ДС уверенно регистрировалась в интервале времени 09:00 – 16:00. Имели место резкие знакопеременные вариации ДСЧ (от –0.25 до +0.75 Гц). С 16:00 и до 20:00 наблюдался полный «развал» ДС.

28 августа 2018 г. поведение ДС качественно мало чем отличалось от поведения ДС 27 августа 2018 г.

«Развал» ДС во все дни на данной трассе свидетельствовал о том, что радиоволна не отражалась от ионосферы, а свободно проходила сквозь нее в интервале времени 16:00 – 20:00.

Рассмотрим радиотрассу Beijing – Harbin. Данная радиостанция излучает на частоте 6175 кГц. Она расположена на территории Китая, R  1044 км.

Радиопередающее устройство выключается

(13)

в интервалах времени 00:00 – 09:00 и 18:00 – 20:00.

25 августа 2018 г. ДС были диффузными (рис. 7). В период восхода Солнца четко выделялась основная мода.

(14)

Рисунок 5 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Chiba – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г.

(15)

Рисунок 6 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Hailar – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г.

(16)

Рисунок 7 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Beijing – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г.

26 августа 2018 г. ДС были практически одномодовыми. С 10:00 и до

12:00 Гц. Период

квазипериодического колебания T  50 мин, fDa  0.25 Гц. В 12:00 имел место резкий скачок ДСЧ от –0.2 до 0.2 Гц. Далее в течение 2 часов значения уменьшались от 0.5 до 0 Гц. На медленные вариации накладывался квазипериодический процесс с T  20 мин и fDa  0.1 – 0.2 Гц. В интервалах времени 14:00 – 18:00 и 20:00–

24:00 Гц. Эпизодически возникало колебание с амплитудой 0.10 – 0.15 Гц и переменным периодом. Примерно с 14:00 и до 15:00 наблюдалось резкое уменьшение (почти в 30 раз) амплитуды сигнала, которая затем восстанавливалась примерно в течение 1 часа.

27 августа 2018 г. почти на протяжении всего времени наблюдения ДС были практически одномодовыми и Гц.

Значения ДСЧ отличались от 0 Гц лишь в течение захода и восхода Солнца. В интервале времени 15:00 – 18:00 наблюдалось уменьшение амплитуды сигнала примерно в 5.5 раз.

28 августа 2018 г. с 09:30 и до 11:30 отмечалось уменьшение ДСЧ от 0 до –0.4 Гц, а затем его увеличение от –0.4 до 0 Гц. На медленные вариации ДСЧ накладывалось колебание с T  20 мин и fDa  0.1 Гц.

В интервале времени 11:00–13:30 амплитуда колебания увеличилась до 0.35 Гц. При этом T  60–70 мин.

Значительное отклонение fD до 0.5 Гц наблюдалось вскоре после восхода Солнца на уровне Земли.

Опишем эффекты на радиотрассе Goyang – Harbin. Радиостанция, вещающая на частоте 6600 кГц, расположена в Республике Корея. При этом R  907 км. Излучение прекращается в интервале времени 23:00 – 05:00.

25 августа 2018 г. почти в течение всего времени измерения ДС были диффузными. В интервалах времени 08:00 – 13:00

и 21:30–22:20 четко выделялась основная мода (рис. 8). Перед заходом Солнца Гц. С 08:00 и до 13:30 отмечалось квазипериодическое колебание ДСЧ с T  30 мин и fDa  0.1–0.2 Гц. Значительное (на порядок) уменьшение амплитуды сигнала наблюдалось с 17:40 и до 19:10.

26 августа 2018 г. квазипериодический процесс с T  30 мин и fDa  0.2 Гц имел место в интервале времени 05:00–06:00. В течение последующих двух часов наблюдались незначительные (0.1 Гц) флуктуации ДСЧ. После 08:00 амплитуда квазипериодических колебаний постепенно увеличивалась от 0.1 до 0.4–0.5 Гц. При этом T  60 мин. Около 12:00 произошло резкое

увеличение ДСЧ от

–0.4 до 0.8 Гц. После этого наблюдалась тенденция уменьшения ДСЧ от 0.8 до 0 Гц. С 14:00 и до 17:30 ДС были диффузными. В то же время амплитуда сигнала уменьшилась примерно в 30 раз. После 17:30 флуктуации ДСЧ были незначительными. С 20:00 и до 20:50 наблюдалось уменьшение амплитуды сигнала примерно в 5–6 раз.

27 августа 2018 г. в течение всего времени измерений флуктуации ДСЧ были незначительными (0.1 Гц). Уменьшение амплитуды сигнала примерно на порядок отмечалось с 16:00 и до 21:00.

28 августа 2018 г. с 05:00 до 08:00 и с 14:40 до 21:40 флуктуации ДСЧ были незначительными. Их уровень увеличился в интервалах времени 08:30 – 09:50 и 13:10 – 14:50, а также 21:45 – 22:35. С 09:50 и до 13:10 отраженный от ионосферы сигнал отсутствовал. Очень слабым сигнал был также в интервале времени 18:50 – 21:45.

Дадим характеристику эффектов на радиотрассе Hohhot – Harbin. Радиостанция, дислоцированная в Китае, излучает на частоте 9520 кГц. Расстояние R  1343 км.

D 0.3 f  

fD D

 

f t

D 0 f

D 0 f

D 0 f

(17)

Радиостанция прекращала вещание в интервале времени 16:00 – 22:00.

25 августа 2018 г. до 06:00 fD  0 Гц.

С 06:00 до 10:00 ДСЧ постепенно уменьшалось от 0 до –0.3 Гц (рис. 9). В интервале времени 10:00 – 11:00 амплитуда сигнала уменьшалась в 3 – 5 раз, fD  0 Гц. С 11:00 и до 14:00 имело место значительное уширение ДС. В интервале времени 14:00 –

16:00 флуктуации ДСЧ были незначительными.

26 августа 2018 г. заметные флуктуации ДСЧ отмечались с 05:00 и до 09:00. В интервале времени 09:00–13:30 вариации ДСЧ были очень значительными (от –1.2 до 0.8 Гц). Амплитуда колебаний достигала 0.5 Гц, а T  50 – 70 мин. Около 12:00 произошло резкое изменение знака ДСЧ.

(18)

Рисунок 8 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Goyang – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г.

(19)

Рисунок 9 – Временны́е вариации ДС и амплитуды A на радиотрассе Hohhot – Harbin (панели сверху вниз): 25, 26, 27 и 28 августа 2018 г.

(20)

С 12:00 и до 13:30 величина ДСЧ уменьшалась от 0.8 до 0 Гц. Далее наблюдались несущественные флуктуации ДСЧ. В интервале времени 13:30 – 14:25 амплитуда сигнала уменьшилась в 30 – 35 раз.

27 августа 2018 г. за исключением предзаходного и заходного периодов флуктуации ДСЧ и амплитуда сигнала были незначительными. Во время захода Солнца ДСЧ изменялось от –0.5 до 0.2 Гц. Амплитуда сигнала варьировала в пределах порядка величины.

28 августа 2018 г. в интервале времени 06:00 – 09:40 наблюдалось отключение радиопередающего устройства. Флуктуации fD и A были заметными лишь в течение захода Солнца.

Рассмотрим эффекты на радиотрассе Yamata – Harbin. Радиостанция, которая вещает на частоте 9750 кГц, расположена в Японии, R  1531 км. Радиостанция не функционирует с 16:00 до 17:00 и с 18:00 до 22:00.

25 августа 2018 г. примерно с 10:00 и до 16:00 ДС были диффузными (рис. 10). В интервалах времени 00:00 – 08:00 и 22:00 – 24:00 наблюдался сигнал от другой радиостанции, для нее fD  –0.5 Гц, а амплитуда сигнала была в 30 – 35 раз меньше.

26 августа 2018 г. после 08:00 регистрировалось уменьшение ДСЧ от 0 до – 1.35 Гц, за которым последовало колебание с T  60 мин и fDa  0.4 – 0.9 Гц. При этом Гц. Примерно в 12:00 имело место резкое изменение знака ДСЧ. Далее ДСЧ уменьшалось от 0.8 до –0.5 Гц. Примерно в 13:45 радиостанция отключилась.

27 августа 2018 г. значительные вариации ДСЧ наблюдались в интервале времени 11:00 – 13:00.

28 августа 2018 г. заметные флуктуации ДСЧ отмечались с 11:00 и до 12:40.

Обсуждение

Рассмотрим связь вариаций ДС с ИБ.

ИБ, последовавшая за уменьшением Dst- индекса около 20:00 25 августа 2018 г.,

увеличением N (см. рис. 3). Следующие всплески N имели место 26 августа 2018 г.

около 00:23, 02:45, 07:45, 10:23 и 12:45 (см. рис. 3). Всплески N чередовались ее уменьшениями в 1.8 – 2.3 раза. Таким образом, отличительной особенностью данной бури была ее многофазность: две положительные бури чередовались с тремя отрицательными бурями. Добавим, что природа положительных и отрицательных бурь обсуждалась в ряде работ [2–6, 20].

Процессы в области отражения радиоволны, например, на частоте 9520 кГц, наблюдались примерно на 25 мин позже перечисленных выше моментов времени.

С 09:00 и до 12:00 ДСЧ на всех трассах было отрицательным. Это означает, что область отражения радиоволн сместилась вверх, при этом концентрация электронов N в ионосфере уменьшилась. В интервале времени 12:00–13:00 для всех трасс ДСЧ становилось положительным, область отражения радиоволн сместилась вниз. Это было вызвано увеличением концентрации электронов. На медленные уменьшения и увеличения ДСЧ накладывались его квазипериодические вариации.

Синхронность описанных вариаций для всех трасс свидетельствует о том, что

возмущение ионосферы было

крупномасштабным, если не глобальным.

Масштаб возмущений был не менее 1 – 2 тыс. км.

В контрольные дни подобные вариации параметров ДС отсутствовали.

Следовательно, наблюдаемые вариации ДСЧ были вызваны ионосферной бурей.

Добавим, что 27 августа 2018 г.

регистрировалась вторая магнитная буря с Kpmax  5 и Dstmin  –50 нТл. Ионосферные возмущения при этом были существенно меньшими, чем 26 августа 2018 г.

Оценим возмущения в ионосфере. Как уже отмечалось, состояние ионосферы контролировалось при помощи ионозонда DPS-4, расположенного в Республике Корея.

Анализировались временны́е и высотные зависимости плазменной частоты fp(t, z), однозначно связанные с N(t, z).

Далее получим соотношения, позволяющие по ДСЧ оценить величину

D 0.4 f  

(21)

увеличения N во время положительных ИБ либо величину уменьшения N во время отрицательных ИБ, величину сдвига области

отражения радиоволн и параметры квазипериодических вариаций N.

Ақпарат көздері

СӘЙКЕС КЕЛЕТІН ҚҰЖАТТАР

Subject of research: A system of economic and administrative relations, related to the regulation of social and economic development of regions and priorities for its implementation in