Солнечно-земная физика, 2024, № 4
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Издательство:
Институт солнечно-земной физики СО РАН
Наименование: Солнечно-земная физика
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 349900.0041.01
Доступ онлайн
от 100 ₽
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- ВО - Магистратура
- 03.04.01: Прикладные математика и физика
- 03.04.02: Физика
- ВО - Специалитет
- 03.05.01: Астрономия
- Аспирантура
- 03.06.01: Физика и астрономия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА
СМИ зарегистрировано Федеральной служ- ISSN 2712-9640
бой по надзору в сфере связи, информаци- Издается с 1963 года DOI: 10.12737/issn.2712-9640
онных технологий и массовых коммуника- Том 10. № 4. 2024. 132 с.
ций (Роскомнадзор). Регистрационный но- Выходит 4 раза в год
мер ЭЛ № ФС 77 — 79288 от 2 октября 2020 г.
Учредители: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики
Сибирского отделения Российской академии наук
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирское отделение Российской академии наук»
SOLAR-TERRESTRIAL PHYSICS
Registered by Federal Service for Supervision ISSN 2712-9640
of Communications, Information Technology The edition has been published since 1963 DOI: 10.12737/issn.2412-4737
and Mass Media (Roscomnadzor). Registration Vol. 10. Iss. 4. 2024. 132 p.
Number EL No. FS 77 — 79288 of October Quarterly
02, 2020
Founders: Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Состав редколлегии журнала Editorial Board
Жеребцов Г.А., академик РАН — Zherebtsov G.A., Academician of RAS, Editor-in-Chief,
главный редактор, ИСЗФ СО РАН ISTP SB RAS
Степанов А.В., чл.-к. РАН — Stepanov A.V., Corr. Member of RAS,
заместитель главного редактора, ГАО РАН Deputy Editor-in-Chief, GAO RAS
Потапов А.С., д-р физ.-мат. наук — Potapov A.S., D.Sc. (Phys.&Math),
заместитель главного редактора, ИСЗФ СО РАН Deputy Editor-in-Chief, ISTP SB RAS
Члены редколлегии Members of the Editorial Board
Абраменко В.И., д-р физ.-мат. наук, КРАО Abramenko V. I., D.Sc. (Phys.&Math.), CRAO
Алтынцев А.Т., д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Altyntsev A.T., D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS
Афанасьев Н.Т., д-р физ.-мат. наук, ИГУ Afanasiev N.T., D.Sc. (Phys.&Math.), ISU
Благовещенская Н.Ф., д-р физ.-мат. наук, ААНИИ Blagoveshchenskaya N.F., D.Sc. (Phys.&Math.), AARI
Богачев С.А., д-р физ.-мат. наук, ИКИ РАН Bogachev S.A., D.Sc. (Phys.&Math.), IKI RAS
Валявин Г.Г., канд. физ.-мат. наук, САО РАН Valyavin G.G., C.Sc. (Phys.&Math.), SAO RAS
Григорьев В.М., чл.-к. РАН, ИСЗФ СО РАН Grigoryev V.M., Corr. Member of RAS, ISTP SB RAS
Гульельми А.В., д-р физ.-мат. наук, ИФЗ РАН Guglielmi A.V., D.Sc. (Phys.&Math.), IPE RAS
Демидов М.Л., д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Demidov M.L., D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS
Деминов М.Г., д-р физ.-мат. наук, ИЗМИРАН Deminov M.G., D.Sc. (Phys.&Math.), IZMIRAN
Ермолаев Ю.И., д-р физ.-мат. наук, ИКИ РАН Yermolaev Yu.I., D.Sc. (Phys.&Math.), IKI RAS
Зеленый Л.М., академик РАН, ИКИ РАН Zelenyi L.M., Academician of RAS, IKI RAS
Куличков С.Н., д-р физ.-мат. наук, ИФА РАН Kulichkov S.N., D.Sc. (Phys.&Math.), IAP RAS
Леонович А.С.†, д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Leonovich A.S.†, D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS
Мареев Е.А., академик РАН, ИПФ РАН Mareev E.A., Academician of RAS, IAP RAS
Медведев А.В., чл.-к. РАН, ИСЗФ СО РАН Medvedev A.V., Corr. Member of RAS, ISTP SB RAS
Мингалев И.В., д-р физ.-мат. наук, ПГИ Mingalev I.V., D.Sc. (Phys.&Math.), PGI
Обридко В.Н., д-р физ.-мат. наук, ИЗМИРАН Obridko V.N., D.Sc. (Phys.&Math.), IZMIRAN
Перевалова Н.П., д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Perevalova N.P., D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS
Пташник И.В., чл.-к. РАН, ИОА СО РАН Ptashnik I.V., Corr. Member of RAS, IAO SB RAS
Салахутдинова И.И., канд. физ.-мат. наук, Salakhutdinova I.I., C.Sc. (Phys.&Math.),
ученый секретарь, ИСЗФ СО РАН Scientific Secretary, ISTP SB RAS
Сафаргалеев В.В., д-р физ.-мат. наук, ПГИ Safargaleev V.V., D.Sc. (Phys.&Math.), PGI
Стародубцев С.А., д-р физ.-мат. наук, ИКФИА СО РАН Starodubtsev S.A., D.Sc. (Phys.&Math.), IKFIA SB RAS
Стожков Ю.И., д-р физ.-мат. наук, ФИАН Stozhkov Yu.I., D.Sc. (Phys.&Math.), LPI RAS Тащилин А.В., д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Tashchilin A.V., D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS Тестоедов Н.А., академик РАН, ИКТ КНЦ СО РАН Testoedov N.A., Academician of RAS, ICT KSC RAS Уралов А.М., д-р физ.-мат. наук, ИСЗФ СО РАН Uralov A.M., D.Sc. (Phys.&Math.), ISTP SB RAS Лестер М., проф., Университет Лестера, Великобритания Lester M., Prof., University of Leicester, UK Логинов В.Ф., академик НАН Беларуси, Loginov V.F., Academician of the NAS of Belarus, Институт природопользования Беларуси Institute of Nature Managment Йихуа Йан, проф., Национальные астрономические Yan Yihua, Prof., National Astronomical Observatories, обсерватории Китая, КАН, Китай China Панчева Дора, проф., Национальный институт геодезии, Pancheva D., Prof., Geophysical Institute, Bulgarian геофизики и географии БАН, Болгария Academy of Sciences, Bulgaria Ответственный секретарь редакции Executive Secretary of Editorial Board Полюшкина Н.А., ИСЗФ СО РАН Polyushkina N.A., ISTP SB RAS
СОДЕРЖАНИЕ
Жеребцов Г.А., Ратовский К.Г., Медведева И.В. Долговременные вариации максимума электронной концентрации и температуры области мезопаузы: зависимости от солнечной, геомагнитной
и атмосферной активности, долговременные тренды .……......................................................................... 5–16
Гульельми А.В., Фейгин Ф.З., Потапов А.С. О пондеромоторном перераспределении тяжелых
ионов вдоль линии магнитного поля …................................................................................................................... 17–21
Мордвинов В.И., Девятова Е.В., Томозов В.М. Зависимость нормальных мод баротропного
уравнения вихря от структуры среднего течения и параметров численного моделирования ...……….. 22–30
Хабитуев Д.С., Жеребцов Г.А., Ивонин В.А., Лебедев В.П. Оценка электронного содержания
плазмосферы и высоты перехода O+/H+ во время геомагнитной бури в феврале 2022 г. по данным
Иркутского радара НР …………...………………………………………….................................................. 31–40
Никитенко А.С., Клейменова Н.Г., Федоренко Ю.В., Бекетова Е.Б. Наземные наблюдения
ОНЧ аврорального хисса в обсерваториях «Ловозеро» и «Баренцбург» …............................................... 41–50
Черниговская М.А., Ратовский К.Г., Жеребцов Г.А., Сетов А.Г., Хабитуев Д.С., Калишин А.С.,
Степанов А.Е., Белинская А.Ю., Бычков В.В., Григорьева С.А., Панченко В.А. Отклик ионосферы
над регионами высоких и средних широт Евразии по данным ионозондов во время экстремальной
магнитной бури в марте 2015 г. ………………………………………………………………….................. 51–64
Янчуковский В.Л. Реакция среднеширотной атмосферы на спорадические вариации космических
лучей в регионе Западной Сибири …............................................................................................................. 65–71
Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е. Оценка средней энергии потока авроральных электронов по измерению интенсивности излучения эмиссии λ427.8 нм …………………………………………………….. 72–78
Козлов С.И., Николайшвили С.Ш. Полуэмпирический приближенный метод исследования некоторых вопросов аэрономии области D ионосферы. II. Отработка (калибровка) метода по экспериментальным данным ……………………........................................................................................................ 79–90
Пономарчук С.Н., Золотухина Н.А. Возмущения ионосферного радиоканала во время магнитных бурь в ноябре–декабре 2023 г. ………………………………………………………………………... 91–105
Кобелев П.Г., Хамраев Ю.Б., Янке В.Г. Анализ метеорологических эффектов нейтронной компоненты космических лучей по данным среднеширотных станций ……………………………………. 106–113
Сахаров Я.А., Ягова Н.В., Пилипенко В.А., Ягодкина О.И., Гаранин С.Л. Пространственное
распределение авроральных высыпаний и сбоев в работе железнодорожной автоматики на севере
европейской части России ………………………………………………………………………………….. 114–121
Иванов К.И., Комарова Е.С., Язев С.А. Исследование основных характеристик метеорного потока Геминиды по данным базисных видеонаблюдений 2021 г. ……………………................................ 122–131
CONTENTS
Zherebtsov G.A., Ratovsky K.G., Medvedeva I.V. Long-term variations in peak electron density and
temperature of mesopause region: dependence on solar, geomagnetic, and atmospheric activities, long-term
trends …….……………………………………………………………………………………………………. 5–16
Guglielmi A.V., Feygin F.Z., Potapov A.S. Ponderomotive redistribution of heavy ions along a magnetic field line ………............................................................................................................................................. 17–21
Mordvinov V.I., Devyatova E.V., Tomozov V.M. Dependence of normal modes of the barotropic vortex
equation on the mean flow structure and numerical simulation parameters ……………………………........ 22–30
Khabituev D.S., Zherebtsov G.A., Ivonin V.A., Lebedev V.P. Estimated plasmasphere electron content
and O+/H+ transition height during the February 2022 geomagnetic storm from Irkutsk IS Radar data ..……. 31–40
Nikitenko A.S., Kleimenova N.G., Fedorenko Yu.V., Beketova E.B. Ground-based observations of the
VLF auroral hiss at Lovozero and Barentsburg observatories …...................................................................... 41–50
Chernigovskaya M.A., Ratovsky K.G., Zherebtsov G.A., Setov A.G., Khabituev D.S., Kalishin A.S.,
Stepanov A.E., Belinskaya A.Yu., Bychkov V.V., Grigorieva S.A., Panchenko V.A. Ionospheric response
over the high and middle latitude regions of Eurasia according to ionosonde data during the severe magnetic
storm in March 2015 ……………..…...……………………………………………………………………….. 51–64
Yanchukovsky V.L. Response of the mid-latitude atmosphere to sporadic cosmic ray variations in the western Siberian Region ……………………………………………………………………………………… 65–71 Dashkevich Zh.V., Ivanov V.E. Estimating the average energy of auroral electrons from 427.8 nm emission intensity measurements ……............................................................................................................... 72–78 Kozlov S.I., Nikolaishvili S.Sh. Semi-empirical method of studying the D-layer aeronomy. II. Evidence-based calibration of the method …………………………………………….......................................... 79–90 Ponomarchuk S.N., Zolotukhina N.A. Disturbances of ionospheric radio channel during magnetic storms in November–December 2023 ………………....................................................................................... 91–105 Kobelev P.G., Hamraev Yu.B., Yanke V.G. Analysis of meteorological effects of cosmic ray neutron component based on data from midlatitude stations ……………………………………………………............ 106–113 Sakharov Ya.A., Yagova N.V., Pilipenko V.A., Yagodkina O.I., Garanin S.L. Spatial distribution of auroral precipitation and failures in railway automatics at the north of European Russia ...………………..... 114–121 Ivanov K.I., Kоmarova Е.S., Yazev S.А. Studying the main characteristics of the Geminid meteor shower from baseline video observations in 2021 ………………………………............................................. 122–131
Солнечно-земная физика. 2024. Т. 10. № 4 Solnechno-zemnaya fizika. 2024. Vol. 10. Iss. 4
УДК 550.338.2 Поступила в редакцию 27.06.2024
DOI: 10.12737/szf-104202401 Принята к публикации 12.09.2024
ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ МАКСИМУМА ЭЛЕКТРОННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЛАСТИ МЕЗОПАУЗЫ:
ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОЛНЕЧНОЙ, ГЕОМАГНИТНОЙ
И АТМОСФЕРНОЙ АКТИВНОСТИ, ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ТРЕНДЫ
LONG-TERM VARIATIONS IN PEAK ELECTRON DENSITY AND TEMPERATURE
OF MESOPAUSE REGION: DEPENDENCE ON SOLAR, GEOMAGNETIC,
AND ATMOSPHERIC ACTIVITIES, LONG-TERM TRENDS
Г.А. Жеребцов G.A. Zherebtsov
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS,
Иркутск, Россия, gaz@iszf.irk.ru Irkutsk, Russia, gaz@iszf.irk.ru
К.Г. Ратовский K.G. Ratovsky
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS,
Иркутск, Россия, ratovsky@iszf.irk.ru Irkutsk, Russia, ratovsky@iszf.irk.ru
И.В. Медведева I.V. Medvedeva
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS,
Иркутск, Россия, ivmed@iszf.irk.ru Irkutsk, Russia, ivmed@iszf.irk.ru
Аннотация. Представлен обзор основных резуль- Abstract. The paper overviews the main results of
татов исследования долговременных вариаций харак- the study of long-term variations in characteristics of the
теристик верхней нейтральной атмосферы и ионо- upper neutral atmosphere and ionosphere, obtained durсферы, полученных в ходе выполнения Проекта РНФ ing the implementation of Russian Science Foundation
№ 22-17-00146 «Экспериментальное и теоретиче- Project No. 22-17-00146 “Experimental and theoretical
ское исследование взаимодействия нейтральной study of the coupling neutral and ionized components of
и ионизованной компонент атмосферы Земли». Про- Earth’s atmosphere”. We study and compare long-term
анализированы долговременные вариации макси- variations in the peak electron density and temperature
мума электронной концентрации NmF2 и темпера- of the mesopause region. Their dependences on solar,
туры области мезопаузы Tm, их зависимости от сол- geomagnetic, and atmospheric activity, as well as longнечной, геомагнитной и атмосферной активности, term trends, are analyzed. The analysis is based on data
а также долговременные тренды. Для анализа исполь- from long-term measurements with the ISTP SB RAS
зованы данные многолетних измерений на комплексе complex of instruments. The peak electron density
инструментов ИСЗФ СО РАН. Данные NmF2 за 1955– (NmF2) data was acquired with the Irkutsk analog auto1996 гг. получены на Иркутской аналоговой автома- matic ionospheric station for 1955–1996 and the Irkutsk
тической ионосферной станции, за 2003–2021 гг. — digital ionosonde DPS-4 for 2003–2021. The atmosна Иркутском цифровом ионозонде DPS-4; данные pheric temperatures at mesopause altitudes (Tm) were
Tm — по спектрометрическим наблюдениям эмиссии obtained from spectrometric observations of the hyмолекулы гидроксила (полоса ОН (6-2), 834.0 нм, droxyl molecule emission (OH (6-2) band, 834.0 nm,
высота максимума излучения ~87 км) в 2008–2020 гг. emission maximum height ~87 km) for 2008–2020. The
К анализу привлечены данные об индексах солнечной analysis uses solar (F10.7) and geomagnetic (Ap) activiи геомагнитной активности F10.7 и Ар, а также данные ty indices, as well as data on variations in the Southern
о вариациях индекса Южной осцилляции (SOI). Ис- Oscillation Index (SOI). The study employs simple and
пользованы методы простой и множественной линей- multiple linear regression methods. Annual average
ной регрессии. Обнаружено, что среднегодовые значе- NmF2 values are found to be predominantly controlled
ния NmF2 преимущественно контролируются измене- by changes in solar flux. Analysis of regression residuниями солнечного потока. Анализ регрессионных als shows that the largest deviations from regression (for
остатков показал, что наибольшие отклонения от ре- both simple and multiple regression) are observed in
грессии (как для простой, так и для множественной years near the maxima of solar cycles 19 (1956–1959)
регрессии) наблюдаются в годы вблизи максимумов and 22 (1989–1991). Annual average temperature variсолнечных циклов 19 (1956–1959 гг.) и 22 (1989– ability in the mesopause region correlates with changes1991 гг.). Вариации среднегодовых значений измен- in the SOI index: day-to-day variability exhibits a posi-чивости температуры области мезопаузы коррели- tive correlation with SOI; and intra-diurnal variability, aруют с SOI: межсуточная изменчивость демонстри- negative correlation with SOI. No significant relation-рует положительную корреляцию с SOI, внутрису- ship was found between year-to-year variations in theточная — отрицательную. Значимая связь между меж- NmF2 and Tm variability.годовыми вариациями NmF2 и Tm не обнаружена.
Keywords: long-term variations, peak electron den- Ключевые слова: долговременные вариации, мак- sity, temperature, mesopause region, solar activity, ge-симум электронной концентрации, температура, об- omagnetic activity, long-term trendsласть мезопаузы, солнечная активность, геомагнитная
активность, долговременные тренды.
5
Г.А. Жеребцов, К.Г. Ратовский, И.В. Медведева G.A. Zherebtsov, K.G. Ratovsky, I.V. Medvedeva
ВВЕДЕНИЕ и ионизованной компонент атмосферы Земли». Ис следованы и сопоставлены долговременные вариа Исследование долговременных вариаций харак- ции максимума электронной концентрации NmF2
теристик верхней атмосферы является крайне акту- и температуры области мезопаузы Tm. Проанализиальной и важной задачей для понимания климатиче- рованы их зависимости от солнечной, геомагнитной
ских изменений на этих высотах. Хорошо известно, и атмосферной активности, а также долговременные
что долговременные (один–несколько солнечных тренды. Для анализа использованы данные многолетциклов) вариации ионосферных параметров, усред- них измерений на комплексе инструментов ИСЗФ
ненных по месяцу, сезону или году, в основном обу- СО РАН. Данные NmF2 за 1955–1996 гг. получены
словлены изменениями солнечной активности на Иркутской аналоговой автоматической ионо[Lastovicka, 2019; Данилов, Константинова, 2020; сферной станции, за 2003–2021 гг. — на Иркутском
Bremer, 1998]. Дополнительный вклад могут вно- цифровом ионозонде DPS-4; данные Tm — по спексить изменения геомагнитной активности. Кроме трометрическим наблюдениям эмиссии молекулы гидвариаций, связанных с солнечной и геомагнитной роксила (полоса ОН (6-2), 834.0 нм, высота максимума
активностью, могут присутствовать долговремен- излучения ~87 км) в 2008–2020 гг.
ные тренды, представляющие собой климатические Статья является продолжением ранее проведенизменения на протяжении нескольких солнечных ных исследований, посвященных совместному анациклов. На изменчивость ионосферных параметров лизу сезонных вариаций NmF2 и Tm [Medvedeva, Ra-влияют геомагнитная и солнечная активность, а также tovsky, 2015, 2017]. Обнаружены их общие чертыдинамические процессы в нижних слоях атмосферы и различия. Предварительный анализ межгодовых из-[Forbes et al., 2000; Rishbeth, Mendillo, 2001; Araujo- менений анализируемых параметров за 2008–2015 гг.Pradere et al., 2005; Deminov et al., 2013]. В работах был выполнен в [Medvedeva, Ratovsky, 2017].[Rishbeth, Mendillo, 2001; Forbes et al., 2000] обнаружено, что вклад геомагнитной активности в ионо- 1. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИсферные возмущения сравним по величине с влиянием со стороны нижней атмосферы и намного су- NmF2 ПО ДАННЫМ
щественнее, чем возмущения в результате кратко- ВЕРТИКАЛЬНОГО
временных вариаций солнечной активности. ЗОНДИРОВАНИЯ В 1955–2021 гг.
Температурный режим области мезопаузы (80– Проведено исследование долговременных вариа-100 км) испытывает активное воздействие как сол- ций NmF2 в ионосфере над Иркутском (52° N, 104° E)нечного излучения, так и энергии диссипации вол- за 1955–2021 гг. Для анализа зависимостей от сол-новых процессов, возникающих в нижележащих нечной и геомагнитной активности используютсяслоях атмосферы. Изменчивость температуры атмо- линейные регрессии среднегодовых значений NmF2сферы на этих высотах является индикатором мно- (раздельно для ночного и дневного времени) на сред-гих климатических и метеорологических процессов, негодовые значения индексов солнечной и геомаг-возникающих в нижней и средней атмосфере. Се- нитной активности. Для анализа долговременныхзонные вариации температуры мезопаузы Tm с мак- трендов используется аппроксимация отклоненийсимумом зимой и минимумом летом являются от регрессий линейным временным трендом.наиболее выраженными, различия в температуре
достигают 60 K. Межсуточная и внутрисуточная 1.1. Метод анализа данных
температурная изменчивости в основном обуслов Для исследования долговременных измененийлены волновыми процессами — мигрирующими
параметров ионосферы мы использовали ионосфер-планетарными волнами, приливами и внутренними
ные данные, полученные на иркутских ионозондахгравитационными волнами (ВГВ). Изменчивость Tm,
за 1955–2021 гг., а также данные индексов солнечнойвызванная влиянием атмосферных волн различных
и магнитной активности F10.7 и Ap за 1955–2021 гг.временных масштабов, также имеет выраженную
[https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html]. Рассмот-сезонную зависимость, и характер вариаций может
ренный период покрывает шесть циклов солнечнойбыть существенно разным в зависимости от региона
активности (19–24). В качестве ионосферной характе-наблюдения [Offermann et al., 2009; Perminov et al.,
ристики использовалось значение NmF2, рассчитанное2014a, b]. Особый интерес представляют межгодо по критической частоте foF2, определяемой с помощьювые вариации и долговременные тренды Tm. Они
ионограмм ионосферной станции АИС либо ионо-вызваны совместным воздействием многолетних
зонда DPS-4 (NmF2 [105 см–3] = 0.124 (foF2 [МГц])2).вариаций солнечной активности и климатических
Анализировались среднегодовые значения NmF2 дляизменений в нижней и средней атмосфере [Khomich
дневного (10–14 LT) и ночного (22–02 LT) времени,et al., 2008; Beig, 2011]. В межгодовых вариациях Tm
а также среднегодовые значения индексов F10.7 и Ap.были обнаружены квазидвухлетние колебания, влия Выбранные индексы солнечной и геомагнитнойние солнечной активности и долговременный тренд
активности имеют длительную историю измерений[Semenov, 2008; Khomich et al., 2008; Beig, 2011].
(F10.7 — с 1947 г., Ap — с 1932 г.). Они широко ис- В настоящей работе представлен обзор основных
результатов исследования долговременных вариа- пользуются в оперативных и климатических модеций характеристик верхней нейтральной атмосферы лях ионосферы и атмосферы (например, глобальная
и ионосферы, полученных в ходе выполнения Проекта динамическая модель критической частоты F2-слоя
РНФ № 22-17-00146 «Экспериментальное и теоре- ионосферы [Шубин, Деминов, 2019]; международтическое исследование взаимодействия нейтральной ная справочная модель ионосферы IRI [Bilitza et al.,
6
Долговременные вариации максимума электронной концентрации Long-term variations in peak electron density
Рис. 1. Диаграмма рассеяния зависимости среднегодовых значений NmF2 от среднегодовых значений F10.7 для дневного (а) и ночного (б) времени. Значения вблизи максимумов солнечных циклов 19 (1956–1959 гг.), 21 (1979–1981 гг.)
и 22 (1989–1991 гг.) показаны красным, зеленым и синим цветом соответственно
2017]; эмпирическая модель атмосферы NRLMSISE-00 множественных регрессий на F10.7 и Ap составили
[Picone et al., 2002]; эмпирическая модель горизон- 98.41 % для дневного времени и 97.20 % — для ночтального нейтрального ветра в верхней термосфере ного, т. е. совпали с коэффициентами детерминаций
[Drob et al., 2015]). Вопрос о том, может ли исполь- простых регрессий с точностью до 0.1 %.
зование альтернативных индексов солнечной и гео- Для выявления причин ошибок простой линеймагнитной активности привести к другим результа- ной регрессии NmF2 на F10.7 была рассмотрена диатам, требует дальнейших исследований. грамма рассеяния зависимости NmF2 от F10.7 (рис. 1).
Для анализа зависимости NmF2 от солнечной ак- Хорошо заметны отклонения от регрессий при больтивности использовалась простая линейная регрессия ших значениях среднегодовых F10.7. Для устранеNmF2 на F10.7: NmF2=N0+N1(F10.7–69). Для анализа ния влияния годов с высокой солнечной активностью
вклада геомагнитной активности использовалась мно- были проведены простые регрессии NmF2 на F10.7
жественная линейная регрессия NmF2 на F10.7 и Ap: (рис. 2) с исключением годов, для которых среднеNmF2=N0+N1(F10.7–69)+N2(Ap – 4). Здесь N0 — зна- годовое значение F10.7 превышало 175 с.е.п.
чение NmF2 в минимуме солнечной активности Сравнивая результаты двух вариантов регрессий,
(F10.7=69 с.е.п. Ap=4); N1, N2 — скорости изменения можно отметить следующее. При исключении годов
NmF2 с ростом F10.7 и Ap, соответственно. с F10.7>175 с.е.п. возрастает скорость роста NmF2
Первый метод оценки тренда NmF2 заключался с ростом F10.7 и уменьшается NmF2 в минимуме
в аппроксимации отклонений ΔNmF2 от множествен- солнечной активности. Изменение коэффициентов
ной регрессии NmF2 на F10.7 и Ap линейным времен- регрессий приводит к увеличению отрицательных отным трендом: ΔNmF2=ΔN0+ΔN1(year – 1955), где клонений от регрессии, уменьшению положительных
year — год, ΔN0 — значение ΔNmF2 в 1955 г., ΔN1 — отклонений, при этом для дневного времени значения
скорость тренда изменения ΔNmF2. Второй метод вблизи максимума цикла 21 (1979–1981 гг.) хорошо
оценки тренда NmF2 был сделан на основе анализа укладываются в новую регрессионную кривую, неизменения коэффициентов простой регрессии NmF2 смотря на то, что эти значения не рассматривались
на F10.7 от цикла к циклу. в регрессии с F10.7<175 с.е.п. Данный факт говорит
о том, что причина ошибок регрессии не связана с вы 1.2. Результаты анализа долговременных сокой солнечной активностью как таковой. Откловариаций среднегодовых значений NmF2 нение от регрессионных кривых в годы вблизи мак- симума солнечного цикла 22 (1989–1991 гг.) отмеча Простая линейная регрессия NmF2 на F10.7 пока- лось в предыдущих исследованиях [Lastovicka, 2019;
зала очень высокие коэффициенты детерминации Данилов, Ванина-Дарт, 2010]. Более детально этот
(98.36 % днем и 97.13 % ночью), при этом наиболь- вопрос будет рассмотрен в подразделе 1.3.
шие ошибки регрессии (отрицательные отклонения) В рамках первого метода оценки тренда NmF2
наблюдаются в 1957–1958 гг. (максимум цикла 19) использовалась аппроксимация отклонений ΔNmF2
и 1989–1991 гг. (максимум цикла 22). Потенциаль- от множественной регрессии NmF2 на F10.7 и Ap
ным источником ошибок простых линейных регрес- линейным временным трендом. При анализе тренсий на F10.7 могло быть влияние геомагнитной ак- дов использовались два варианта регрессии на F10.7
тивности. Для проверки этой версии использовалась и Ap: (1) с использованием всего набора данных и (2)
множественная регрессия среднегодовых значений с исключением годов, для которых F10.7>175 с.е.п.
NmF2 на среднегодовые значения F10.7 и Ap. Резуль- Временные вариации ΔNmF2 и их аппроксимации литаты показали, что учет геомагнитной активности нейными временными трендами показаны на рис. 3.
практически не сказывается на ошибках простых Видно, что во всех случаях выявленный тренд явлинейных регрессий. Коэффициенты детерминаций ляется отрицательным, что говорит об уменьшении
7
Г.А. Жеребцов, К.Г. Ратовский, И.В. Медведева G.A. Zherebtsov, K.G. Ratovsky, I.V. Medvedeva
Рис. 2. То же, что на рис. 1, с исключением годов, для которых F10.7>175 с.е.п.
Видно, что исключение годов с F10.7>175 с.е.п.
приводит к заметному изменению коэффициентов.
Для дневных условий N0 уменьшается на ~7 %, N1
увеличивается на ~6 %, N2 уменьшается на ~78 % (т. е.
в ~4.5 раза) и ΔN1 уменьшается на ~25 %. Для ночных
условий N0 уменьшается на ~4 %, N1 увеличивается
на ~4 %, N2 уменьшается на ~43 % (т. е. в ~1.8 раза)
и ΔN1 увеличивается на ~13 %.
Для оценки вкладов солнечной, геомагнитной
активности и долговременного тренда можно восполь зоваться полученными коэффициентами и экстре мальными изменениями F10.7=163 с.е.п., Ap=20 нТл
и Y=66 лет за рассматриваемый период, используя
формулу множественной регрессии NmF2 на F10.7
и Ap, а также формулу аппроксимации ΔNmF2 ли нейным трендом. В табл. 2 даны оценки вкладов
F10.7, Ap и тренда. Видно, что вклад солнечной актив ности превышает вклад геомагнитной в ~25–150 раз
и вклад тренда в ~21–46 раз. Необходимо отметить,
что исключение годов с F10.7>175 приводит к су щественному уменьшению коэффициента N2 (~4.5 раза
для дня и ~1.8 раза для ночи), тогда как изменение
коэффициента ΔN1 заметно меньше (~25 % для дня
Рис. 3. Временные вариации ΔNmF2 и их аппроксима- и ~13 % для ночи). Из этого можно предположить,
ции линейными временными трендами для дневного (а) что в случае использования всех годов коэффициент
и ночного (б) времени. Красный цвет — все годы, черный — N2 отражает не столько вклад геомагнитной активгоды с F10.7<175 с.е.п. Вертикальные штриховые линии — ности, сколько попытку компенсации аномальнограницы солнечных циклов низких значений NmF2 в максимумах циклов 19 и 22.
NmF2 с 1955 по 2021 г. Отрицательные тренды NmF2 При этом эффект тренда более стабилен и в обоих
согласуются с основными результатами обзора [Да- случаях показывает отрицательный тренд с сопостанилов, Константинова, 2020] (более детально этот вимыми коэффициентами.
вопрос будет рассмотрен в подразделе 1.3). Необхо- Второй метод оценки долговременного тренда
димо отметить, что выявленные тренды незначитель- NmF2 был сделан на основе анализа изменения
но уменьшают отклонения от регрессий на F10.7. коэффициентов простой регрессии NmF2 на F10.7
Диапазон тренда в ~10 раз больше диапазона откло- от цикла к циклу (рис. 4). Как и ожидалось, коэфнений от регрессий для всех годов и в ~4 раза фициенты для циклов 19 и 22 заметно отличаются
больше диапазона отклонений от регрессий для го- от коэффициентов, полученных для других циклов.
дов с F10.7<175 с.е.п. В обоих случаях вычитание В дневных условиях коэффициенты N0 для циклов
тренда незначительно уменьшает среднеквадратич- 19 и 22 составляют ~3.9·105 см–3, для других цикное отклонение. лов меняются в пределах (3.4÷3.5)·105 см–3, коэф В табл. 1 приведены полученные коэффициенты фициенты N1 для циклов 19 и 22 составляют 8.3
множественных регрессий NmF2 на F10.7 и Ap (N0, N1, и 7.7·105 см–3/100 с.е.п., для других циклов меняются
N2), а также скорость тренда ΔN1 для четырех вариан- от 8.7 до 9.4·105 см–3/100 с.е.п. В дневных условиях
тов (день, ночь, все годы и годы с F10.7<175 с.е.п.). линейные тренды, построенные для коэффициентов
8
Долговременные вариации максимума электронной концентрации Long-term variations in peak electron density
Таблица 1
Коэффициенты регрессий на F10.7 и Ap (N0(105 см–3), N1(105 см–3 / 100 с.е.п.), N2(105 см-3/10 нТл),
а также скорость тренда ΔN1(105 см–3 / 100 лет)
Период/время суток N0 N1 N2 ΔN1
Все годы/день 3.75 8.70 –0.23 –0.65
Годы с F10.7<175/день 3.50 9.19 –0.05 –0.49
Все годы/ночь 1.63 2.16 –0.07 –0.23
Годы с F10.7<175/ночь 1.57 2.25 –0.04 –0.26
Таблица 2 за все анализируемые циклы. Полученная оценка
Оценки вкладов F10.7, Ap и тренда в NmF2 тренда NmF2=–0.43·105 см–3/10 циклов близка
к оценке, полученной с помощью первого метода: Период/время суток F10.7 Ap Тренд
Все годы/день 14.1 –0.45 –0.43 ΔN1=–0.49·105 см–3/100 лет (10 циклов примерно эк Годы с F10.7<175/день 14.9 –0.10 –0.32 вивалентно 110 годам). Для ночных условий анало Все годы/ночь 3.5 –0.14 –0.15 гичная методика дала тренд N0=–0.01·105 см–3/10 цик Годы с F10.7<175/ночь 3.6 –0.08 –0.17 лов, тренд N1=–0.70·105 см–3 / 100 с.е.п. / 10 циклов
и оценку тренда NmF2=–0.38·105 см–3/10 циклов.
Данная оценка заметно превышает ΔN1=–0.26·105 см–3/
100 лет для ночных условий. Причина этого разли чия связана с завышением ночного тренда N1 из-за
аномально низкого значения N1 в цикле 23 (причины
могут быть связаны с недостатком данных в этом
цикле).
1.3. Обсуждение долговременных вариаций
среднегодовых значений NmF2
Анализ долговременных вариаций среднегодо вых значений NmF2 выявил аномально низкие зна чения NmF2 в 1957–1958 гг. (максимум цикла 19)
и 1989–1991 гг. (максимум цикла 22). Для дневного
времени наиболее аномальным является 1991 г.,
когда отклонение от регрессии составило –2.5·105 см–3
или –16 % от ожидаемого значения. Для ночного
времени наиболее аномальным является 1957 г. —
–0.85·105 см–3 или –16 % от ожидаемого значения.
Анализ изменения коэффициентов простой регрес сии NmF2 на F10.7 от цикла к циклу выявил аномаль но низкую скорость изменения NmF2 с ростом F10.7
(коэффициент N1) в отмеченных циклах. В цикле 22
этот коэффициент оказался на 15 % ниже по срав нению с N1, полученным усреднением за 20, 21, 23
и 24 циклы. Тот факт, что значения NmF2 вблизи мак симума цикла 21 (1979–1981 гг.) хорошо укладыва ются в регрессионную кривую, построенную по годам
с F10.7<175 с.е.п. (т. е. без участия NmF2 вблизи мак симума цикла 21), говорит о том, что причина откло нения от регрессии в циклах 19 и 22 не связана с высо кой солнечной активностью как таковой.
Рис. 4. Изменения коэффициентов простой регрессии Отклонение от регрессионных кривых вблизи
NmF2 на F10.7 от цикла к циклу для дневного (а, б) и ноч- максимума солнечного цикла 22 (1989–1991 гг.) отменого (в, г) времени. Красные точки — циклы 19 и 22, чер- чалось в предыдущих исследованиях. Lastovicka
ные точки — остальные циклы. Красный тренд проведен [2019] обнаружил, что скорость роста среднегодопо всем циклам, серый тренд — по циклам 20, 21, 23 и 24 вых значений критических частот foF2 и foE с ростом
циклов 20, 21, 23 и 24, дали следующие значения: тренд F10.7 была выше в 1996–2014 гг. (циклы 23 и 24)
N0=–0.13·105 см–3/10 циклов и тренд N1=–0.56·105 см–3 / чем в 1976–1995 гг. (циклы 21 и 22). Отмечая, что
100 с.е.п./10 циклов. Для оценки вкладов трендов механизм этого различия в настоящее время не устакоэффициентов в тренд NmF2 была использована новлен, Lastovicka [2019] выдвинул две потенциальформула простой регрессии NmF2 на F10.7: тренд ные причины этого различия: (1) изменение соотNmF2 = тренд N0 + тренд N1(<F10.7>–69)/100, где ношения между F10.7 и солнечным ионизирующим
<F10.7>=122 с.е.п. — среднее значение F10.7 излучением и (2) изменение соотношения между
9
Г.А. Жеребцов, К.Г. Ратовский, И.В. Медведева G.A. Zherebtsov, K.G. Ratovsky, I.V. Medvedeva
параметрами ионосферы и солнечным ионизирую- до 0.033 МГц/год (последнее значение более чем
щим излучением. Вторая причина может быть свя- на порядок превышает оценку тренда в данной разана с изменением параметров нейтральной атмо- боте). Zhang [2018] привел тренды электронной
сферы (температура, химический состав, ветер). Дани- концентрации в области F по данным некогерентного
лов, Ванина-Дарт [2010] обнаружили, что отклоне- рассеяния. Согласно этим данным, тренд NmF2 соние от скользящей 11-летней регрессии величины ставляет 5 % за десятилетие, что в ~5–6 раз превышает
foF2 (на заходе) / foF2 (14 LT) на F10.7 начинает воз- оценку тренда NmF2 в данной работе (8–11 %
растать после 1980 г., достигая пика в максимуме за 100 лет).
солнечного цикла 22. В качестве возможной причины С учетом того, что диапазон тренда NmF2 или foF2
обнаруженного возрастания указывалось изменение намного меньше диапазона отклонений от регрессии,
ветрового режима в термосфере. Выявление причины расхождения между небольшими трендами вполне
отклонения от регрессии в циклах 19 и 22 (солнечная объяснимы. При этом объяснить тренды, которые
либо атмосферная) является актуальной задачей, по- в несколько раз или даже на порядок превышают
скольку остальные отклонения от регрессии (включая значения, полученные в данной работе, затруднидолговременный тренд) могут объясняться тем же. тельно. Например, тренд NmF2, эквивалентный 5 %
Использование альтернативных индексов солнеч- за десятилетие, дал бы изменение ~33 % в коэффициной активности [Laštovička, Burešová, 2023] показало, ентах регрессии за шесть циклов, что было бы видно
что различие скоростей роста среднегодовых значе- невооруженным глазом. Мы показали, что изменений foF2 с ростом индекса в 1996–2014 гг. и 1976– ние коэффициентов регрессии от цикла к циклу мо1995 гг. существенно зависит от выбора индекса жет составлять ~15 %, однако такое изменение являсолнечной активности. Для индекса F10.7 и числа ется не трендом, а аномалией определенного цикла.
солнечных пятен различие было максимальным, для
индексов Lα (поток солнечного излучения в линии 2. МЕЖГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ
Лайман-альфа), MgII и HeII меньше, а для индекса NmF2 и Tm И ИХ ИЗМЕНЧИВОСТЕЙ
F30 — минимальным. Таким образом, результаты В 24-ОМ СОЛНЕЧНОМ ЦИКЛЕ
работы [Laštovička, Burešová, 2023] подтвердили
первую версию [Lastovicka, 2019]: причиной анома- 2.1. Используемые данные и методика
лии в максимуме цикла 19 является изменение соот- анализа
ношения между F10.7 и солнечным ионизирующим Для анализа были использованы эксперименизлучением. В свою очередь, причина изменения тальные данные о вращательной температуре молеэтого соотношения в максимуме цикла 19 в настоя- кулы гидроксила Tm (полоса ОН(6-2) 834.0 нм, ~87 км),
щее время остается открытым вопросом. полученные из спектрометрических измерений в Гео В результате регрессионного анализа был выяв- физической обсерватории ИСЗФ СО РАН (51.8° N,
лен отрицательный тренд в среднегодовых значениях 103.1° E, Торы) с временным разрешением 10 мин,
NmF2: в дневных условиях NmF2 уменьшается со ско- и значения максимума электронной концентрации
ростью 0.49·105 см–3 за 100 лет или на 0.32·105 см–3 NmF2, полученные по данным вертикального зонза исследуемый 66-летний период. Относительно дирования на иркутском дигизонде DPS-4 (52.3° N,
средних значений NmF2 скорость тренда составляет 104.3° E), работающем в режиме мониторинга с раз~8 % за 100 лет или уменьшение на ~5 % за исследу- решением 15 мин. Методики измерений и обработки
емый 66-летний период. Для ночных условий также данных подробно описаны в [Semenov, et al., 2002;
был выявлен отрицательный тренд: скорость тренда Khomich et al., 2008; Medvedeva et al., 2014]. Вращасоставляла 0.26·105 см–3 за 100 лет (или ~11 % относи- тельная температура молекулы гидроксила отобрательно средних значений NmF2). С учетом квадра- жает температуру атмосферы на высотах мезопаузы,
тичной зависимости NmF2 от критической частоты анализируемый период — 2008–2020 гг. Для кажfoF2 тренд NmF2 может быть пересчитан в тренд дого года были рассчитаны среднегодовые значеfoF2: ΔfoF2/<foF2>≈0.5ΔNmF2/<NmF2>, где скобки ния Tm и NmF2 и их изменчивостей σTm и σNmF2.
означают средние значения за 66-летний период. К анализу привлечены данные F10.7 и Ар, полученные
Пересчет дает тренды foF2: –0.26 МГц за 100 лет через интерфейс GSFC/SPDF OMNIWeb на веб-сайте
днем и — 0.23 МГц за 100 лет ночью. [http://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html], а также
Полученные тренды NmF2 и foF2 были сопостав- данные вариаций SOI в формате Climatic Research Unit
лены с трендами, представленными в обзоре [Данилов, of East Anglia University [https://crudata.uea.ac.uk/
Константинова, 2020]. С одной стороны, там показаны cru/data/soi/, Ropelewski, Jones, 1987]. Отрицательные
небольшие тренды foF2 от –0.0028 до –0.0002 МГц значения этого индекса означают, что установилась
в год (от –0.28 до –0.02 МГц за 100 лет) [Bremer et фаза Эль-Ниньо, положительные — фаза Ла-Ниньа.
al., 2012; Mielich, Bremer, 2013]. Наибольший тренд Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК) — основиз представленного диапазона хорошо согласуется ной климатический сигнал, обусловливающий межс результатами данной работы. С другой стороны, годовую изменчивость глобальной системы океан —
в обзоре приводятся тренды, которые в несколько атмосфера. Исследованы и сопоставлены среднегораз или даже на порядок превышают значения, по- довые значения Tm и NmF2, а также их межсуточной и
лученные в данной работе. Результаты анализа трен- внутрисуточной изменчивости, рассчитанные по методов foF2 в [Cnossen, Franzke, 2014] показали, что все дике, представленной в [Medvedeva, Ratovsky, 2017].
статистически значимые тренды foF2 отрицательны, Для расчета средних за каждый год значений Tm
и их абсолютные величины лежат в пределах от 0.008 и σTm использована методика, подробно описанная
10
Доступ онлайн
от 100 ₽
В корзину