Отклик ионосферы на солнечные вспышки и магнитные бури по данным сети GPS

Актуальность. Известно, что солнечная активность определяет состояние верхней атмосферы и ионосферы и оказывает влияние на различные сферы деятельности человека. Изучение проявлений солнечной активности является одной из основных задач солнечно-земной физики. Главная её цель — выяснение механизмов воздействия солнечных электромагнитных излучений и корпускулярных потоков на верхнюю атмосферу, ионосферу и магнитосферу и разработка методов прогнозирования проявлений солнечной активности.

Одним из проявлений этой активности в ионосфере Земли являются вариации полного электронного содержания (ПЭС). Поскольку изо лучение с длинами волн от 0 до 1216 А вызывает ионизацию атмосферы [14], возрастание излучения в любом из участков этого спектра представляет несомненный интерес для физики ионосферы. В свою очередь изменения ПЭС в различных диапазонах высот ионосферы во время солнечных вспышек (при спокойных геомагнитных условиях) характеризуют изменения в соответствующих участках спектра ионизующего излучения. Это позволяет использовать ионосферу в качестве природного детектора излучений, ионизующих верхнюю атмосферу.

Изменения концентрации электронов во время хромосферных вспышек (различные для разных высот) носят общее название — внезапные ионосферные возмущения (sudden ionospheric disturbances, SID). Изучению реакции ионосферы на солнечные вспышки посвящено довольно много исследований. В [21, 87, 48] были исследованы SID при регистрации внезапного изменения доплеровской частоты SFD (sudden frequency deviations) KB радиосигнала, отраженного от области F. В [75, 55] получены важные сведения о высотном распределении возрастания локальной электронной концентрации во время мощных солнечных вспышек при помощи метода некогерентного рассеяния (HP). В [54] авторы исследовали внезапное увеличение ПЭС, которое измерялось с помощью непрерывно работающих УКВ радиомаяков на геостационарных спутниках.

Однако все перечисленные методы не обладают достаточным пространственно-временным разрешением и поэтому не могут быть эффективной основой радиофизической системы детектирования, обеспечивающей непрерывный и глобальный мониторинг SID. Кроме того, для создания этих средств необходимо использование специального оборудования, включая засоряющие радиоэфир мощные радиопередатчики.

Глобальная навигационная система GPS и созданные на ее основе широко разветвленные сети станций GPS [53], насчитывающие на январь 2002 г. не менее 1000 пунктов (данные которых поставляются в Internet [32]), предоставляют новые возможности в дистанционной диагностике ионосферы. При помощи двухчастотных многоканальных приемников GPS осуществляются высокоточные измерения группового и фазового запаздывания между двумя когерентными сигналами на частотах Д = 1575.42 МГц и /2 = 1227.60 МГц на луче зрения между приемником на земной поверхности и передатчиками на ИСЗ.

Чувствительность фазовых измерений в системе GPS позволяет детектировать неоднородности с амплитудой до Ю-3 от суточного изменения ПЭС. На основе этих данных в ИСЗФ СО РАН была разработана технология глобального детектирования ионосферных возмущений.

GLOBDET) [4, 5, 6, 9, 10]. Эта технология позволяет решать задачи обнаружения ионосферных возмущений от различных источников искусственного и естественного происхождения.

Существенное место в диссертации отводится вопросу разработки новых методов для исследования пространственно-временных характеристик ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным международной сети GPS. Эти методы существенно улучшают чувствительность и пространственно-временное разрешение наблюдений по сравнению с известными радиофизическими методами. Результаты этих исследований могут дать дополнительную информацию о рентгеновском и ультрафиолетовом излучении солнечных вспышек, наряду с прямыми спутниковыми измерениями.

Другим предметом исследования в данной диссертации являются пространственно-временные характеристики крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (КМ ПИВ). Изучению этих возмущений посвящено много работ, обзор которых можно найти в [41, 39]. Считается установленным, что КМ ПИВ являются проявлением акустико-гравитационных волн (АГВ), области генерации которых находятся в авроральных зонах северного и южного полушарий. Однако до сих пор нет достаточной ясности в понимании основных свойств КМ ПИВ. Неудовлетворительны результаты измерений модуля скорости. Отдельные исследователи приводят заметно отличающиеся значения скорости перемещения КМ ПИВ: от 300 м/с до тысяч м/с.

Данных о направлениях перемещения КМ ПИВ на средних широтах в литературе существенно меньше, чем данных о скорости их перемещения. Считается, что в основном они движутся в сторону экватора. Между тем, в ряде работ обнаружено отклонение направления перемещения КМ ПИВ от экваториального [33, 50, 62, 105].

Развитие глобальной навигационной системы GPS является новым мощным средством для изучения и мониторинга процессов развития ионосферной бури. В работе [2] был предложен метод исследования ПИВ, основанный на разнесенном приеме сигналов ИСЗ GPS (метод GPS интерферометров), который используется в настоящей диссертации. В [77, 51, 72] представлена новая технология построения глобальных карт абсолютного «вертикального» значения ПЭС по данным международной сети GPS (технология Global Ionospheric Maps, GIM).

Новые возможности ионосферного мониторинга, которые предоставляет глобальная навигационная система GPS, положены в основу настоящей диссертации Цель работы;

Исследование ионосферных эффектов солнечных вспышек и магнитных бурь по данным глобальной навигационной системы GPS. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка метода глобального GPS детектирования отклика полного электронного содержания на солнечные вспышки.

2. Исследование пространственно-временных характеристик ионосферного отклика солнечных вспышек для наиболее значительных событий периода 1998;2000 г. г.

3. Разработка метода локализации областей ионосферы, ответственных за основной вклад в отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки.

4. Исследование динамики крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений полного электронного содержания аврораль-ного происхождения на основе анализа данных GPS.

Новизна полученных результатов.

1. Разработан новый метод глобального GPS детектирования отклика полного электронного содержания на солнечные вспышки для спокойных геомагнитных условий. В отличие от известных радиофизических методов, предлагаемый метод отличается более высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением. Метод позволяет обнаружить отклик ионосферы на слабые солнечные вспышки (рентгеновского класса С).

2. При помощи нового метода впервые исследована зависимость амплитуды отклика полного электронного содержания на солнечные вспышки от положения вспышек на диске Солнца (их расстояния от центрального солнечного меридиана) для разных классов вспышек (С, М, X) в рентгеновском диапазоне. Полученные в диссертации экспериментальные зависимости позволяют прогнозировать возмущения ПЭС в ионосфере на основе прогноза солнечной вспышечной активности.

3. Впервые получена эмпирическая зависимость амплитуды отклика полного электронного содержания ионосферы от пиковой мощности солнечных вспышек в мягком рентгеновском диапазоне (1−8А). Эта зависимость выражается степенной функцией: Л/ = 649F0″ 7. где Л/ - среднее интегральное приращение ПЭС, F — пиковая мощность интенсивности рентгеновского излучения во время вспышки. Расчеты были проведены для вспышек с пиковой мощностью от 2.2 * 10~с до 5.7 * Ю-4 Вт м~2.

4. Разработан новый метод определения областей ионосферы, ответственных за основной вклад в отклик полного электронного содержания на солнечные вспышки, и получены оценки этого вклада на примере мощной солнечной вспышки 14 июля 2000 г.

5. Впервые одновременно измерены компоненты вектора скорости крупномасштабных ионосферных возмущений в ночном и дневном секторах во время магнитосферных возмущений.

Краткое содержание работы.

В первой главе:

1. Дан обзор современных представлений о ионосферных возмущениях, вызванных солнечными вспышками, а также описаны существующие методы ионосферного мониторинга этих возмущений.

2. Предложен новый метод детектирования ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным международной сети двухчастотных многоканальных приемников навигационной системы GPS и приведены результы анализа отклика ПЭС ионосферы на солнечные вспышки.

3. Описан новый метод локализации областей ионосферы, ответственных за основной вклад в изменения полного электронного содержания во время солнечных вспышек по данным глобальной навигационной системы GPS и приведены результы анализа отклика ПЭС ионосферы на мощную солнечную вспышку класса Х5.7/ЗВ, зарегистрированную 14 июля 2000 г.

Во второй главе:

1. Приведены результаты сравнительного анализа скоростей и направлений перемещения крупномасштабных возмущений ПЭС аврораль-ного происхождения для дневных и ночных условий во время магнитных бурь.

2. Представлены результаты исследования глобальных крупномасштабных возмущений ПЭС ионосферы во время большой магнитной бури 25 сентября 1998 г.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод детектирования отклика ионосферы на солнечные вспышки, основанный на пространственном когерентном накоплении откликов полного электронного содержания. В отличие от известных радиофизических методов, предлагаемый метод отличается более высокой чувствительностью и пространственно-временным разрешением, что позволяет обнаружить отклик ионосферы на слабые солнечные вспышки (рентгеновского класса С).

2. Результаты исследования зависимостей амплитуды отклика полного электронного содержания ионосферы от положения вспышек на диске Солнца и от их пиковой мощности в мягком рентгеновском диапазоне (1−8А).

3. Метод и результаты оценки относительного вклада различных областей ионосферы в отклик полного электронного содержания на примере мощной солнечной вспышки.

4. Результаты исследования направлений и скоростей перемещения крупномасштабных ионосферных возмущений аврорального происхождения во время магнитных бурь по вариациям полного электронного содержания.